摘要：主轴是顶部驱动系统中极其重要的零件，在设计中，必须对其进行强度分析。介绍了运用solidworks中的插件 cosmosworks 对中轴的强度进行分析，相对于其他有限元软件简单实用，提高了工作效率。通过对主轴在有限元分析中应力分布，找到零件存在的问题。
论文关键词：顶部驱动系统,solidworkscosmos,轴
顶部驱动钻井技术是20世纪80年代国际钻井领域中兴起的一项新的钻井技术，是旋转钻井技术的一次重大突破，受到世界各国石油装备公司的高度重视，且在国际石油工业中得到迅速的发展，相继研制开发了各种型号的顶部驱动系统，在石油钻井中的使用数量呈逐年增加的趋势。
1 设计思想及设计过程
Solidworkscosmos是一种新的有限元分析(FEA)解决方案,从简单的应力和分布方式测试到更为复杂的分析(例如,冲击测试、非线性和疲劳分析),COSMOS都发挥着至关重要的作用。它为用户得到高质量分析结果提供了简单而高效的方法,同时满足高端用户在简单的FEA软件实现完全的分析控制的需求,从而帮助客户真正实现缩短上市时间、减少成本并提升工程生产力。
顶部驱动系统主轴的基本参数：拉力载荷：4E+6N(400tf)；扭矩：6.78E+7N.mm（50000lb.ft）；泥浆液压力：35Mpa。材料为：42GrMo，，其屈服极限为1080Mpa。
1.1 三维建模
根据图纸要求，建立了主轴的三维实体模型，为主轴的力学分析奠定了模型基础。顶部驱动系统及其主轴如图1所示。
图1 顶部驱动系统及其主轴
1.2 载荷和边界条件的确定
对于主轴的力学有限元分析，主要是结合理解定义载荷大小和约束条件，划分单元网格。对于该主轴其工况简单，载荷为：拉力载荷：4E+6N(400tf)；扭矩：6.78E+7N.mm（50000lb.ft）；泥浆液压力：35Mpa。约束边界条件为：大圆盘外表面限制其水品位移；大圆盘下底面限制轴向位移。
2 在solidworkscosmos中静力分析
Cosmosworks和Ansys一样都必须按照其静力分析的基本过程进行。
(1)建立静态研究并设置材料属性。如图2所示。
①打开“研究”对话框,定义研究类型为“静力分析”;分析类型为“静态”点击“完成“。
②右击“静力分析“,点击”属性“,打开”static“对话框。确保解算器为“FFEPlus”(迭代方法)和“使用
软弹簧使模型稳定”选项被选中。点击“确定”,关闭对话框。
图2 静力分析属性对话框设置
(2)建立约束并施加载荷
①点击“力”按钮,选择施加力的类型为“应用扭矩”;加载的面选择下方接箍曲面;选择“基准轴1”作为参考轴;设置扭矩为6.78E+7N.mm。点击“确定”完成“力-1”的创建，如图3所示。
②点击“离心力”按钮,选择“基准轴1”作为离心力的参考轴,并设置转速。如图3所示。
③点击“压力”按钮，选择“垂直于所选面”;加载主轴内孔壁圆柱面；设置压力值为35Mpa。
④点击“力”,选择“应用正常力”,选择下端面,输入力值为4E+6N。如图3所示。
⑤点击“约束”按钮,制约面选择大圆盘底面处、圆柱表面。类型选择“在圆柱面上”,该种约束是指定圆柱面只能绕自己的轴旋转。注意不可选择“不可移动”约束,“不可移动”约束是将所有平移自由度设定为零,它不适用于旋转，如图3所示。
(3)划分网格并运行,划分网格时注意设置网格的大小，在截面突变或应力集中处，将这些地方的网格细化，如图4所示
图3 施加载荷
图 4 网格划分
（3）结果分析
图5和图6分别为主轴的应力和位移图解。从图5中可以看出最大应力发生在接箍的根部，最大值为333MPa,其安全系数较低，应力集中比较严重，对其解决方法为接箍的根部倒圆，建议倒角R2.5。图6中显示的最大位移在要求位移范围内，该零件的刚度满足要求。
图5 主轴应力分布图解
图6 主轴位移图解
3 结论
本文中作者利用solidworks内部集成的cosmosworks，便于工程人员掌握，并且分析可靠。利用该技术进行力学分析和强度校核提高了设计效率，设计水平，比传统的设计方法优势明显。
参考文献
[1]孙茂才.金属力学性能[M].哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2003.
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