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声波测井是石油仪器中最重要的部分，但是由于声系外壳是声波测井仪器最薄弱的零件，所以导致整个仪器的抗拉和抗压性能下降。在井况比较恶劣的条件下，如果遇阻，声系外壳很容易就被拉断，因此设计外壳时，需要考虑声系外壳最薄弱地方的应力。由于其几何形状不规则，应用经典材料力学公式很难计算出其危险截面应力，所以有限元分析法就成为了解决工程问题的重要方式。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁及声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于机械、电机、土木、电子及航空等不同领域。它是众多有限元分析软件中较出色的一个，以其高效的求解算法和效率闻名，并有相对独立的前、后处理体系，可独立完成多学科、多领域的分析任务。但是，在处理分析过程中，ANSYS优点明显，其缺点也同样突出，建模能力弱。Pro/E中是一个高效的三维机械设计工具，可以迅速建立任何复杂曲面，本文将借助Pro/E模块进行建模，然后导入ANSYS中进行分析，提高建模和分析效率。通过分析找到了声系外壳的薄弱环节，并通过改变槽宽，比较了在不同情况下的应力，为声系外壳的改进设计提供依据。
1 曲轴三维实体参数化模型建立和计算
1.1几何模型
声系外壳长度为2165mm，零件长度过大，在ANSYS里划分单元数量大，给计算带来很大难度。本文取其截面最小部分进行建模分析，模型尺寸参数如下：外径为89mm，内径为70.6mm，槽宽为6mm，在轴向上槽间距为22mm，在圆周方向上槽间距120°，如图1所示。
零件材料采用0Cr17Ni4Cu，材料性能参数为：
许用应力[σ]t＝800 MPa；
屈服应力[σ]s＝1000 MPa；
弹性模量E＝200 Gpa；
泊松比μ＝0.27。
由于结构较为复杂，所以首先在Pro/E里建模，然后通过数据转换到ANSYS里面。模型是对称的，利用其对称性取其一半进行分析，可以在保证计算精度的条件下提高计算效率，模型如图2所示。
1.2 边界条件及载荷
选取solid45单元，用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力。定义材料属性，弹性模量E＝200 GPa，泊松比μ＝0.27。
进入前处理器，将模型用命令VSBW切割成多个体，如图3所示。分割模型不但可以减少单元数量，还可以提高计算精度和速度。选择自由网格划分工具，然后采用自由网格技术进行划分，自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术来自动控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小并控制疏密分布以及选择分网算法等。如图4所示，共划分128453个单元，25167个节点，据分析，槽周围是应力集中部位，网格划分较密，两端受力较小，划分稀疏。
根据对称结构的特点，在模型左端施加轴向约束，位移为0，在对称截面上施加对称约束，在模型右端面施加拉力20 t，转换为等效拉应力为42166Pa，如图5所示。
1.3 分析结果
如图6所示，从有限元应力分析结果中可以看出，在槽的过渡圆角处存在应力集中现象，但是由于材料是在静载条件下，而且使用的是塑性材料，从图6中可以看出，应力集中的影响很小，因此可以忽略应力集中的影响。材料危险截面处的最大拉应力为400 MPa。从图6的应力云图中可以看出，最危险的位置是两槽之间与水平方向成45°的截面最易被拉断，这和实际测井中外壳被拉断的情况相符合，图7为模型受力变形图。
按传统计算方法，通常取圆周方向最小截面处作为危险截面，按材料力学公式计算最大应力为：
S=6.723 ×10-4m2
F=2 ×10 4N；
p=F /S=297 MPa
可见在此情况下，当外力大于声系外壳所能承受的屈服极限时，按传统取最小截面方法仍能满足要求，而实际上可能已经超出材料所能承受最大应力，所以不能准确计算仪器所能承受的最大拉力。而用有限元方法能有效的计算出仪器能承受最大拉力和危险截面。
改变槽宽为4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm，在施加20 t拉力时分别求出声系外壳薄弱处的最大应力。表1为在不同槽宽的情况下，声系外壳的薄弱处所受的最大应力。
从表1中可以看出，当槽宽为6 mm时候，声系外壳薄弱处的应力最小，宽为4 mm的时候薄弱处应力最大，并且过渡圆角处出现较为严重的局部塑性变形，所以不宜采用。从表1中也可以看出随着槽宽变大，位移也逐渐变大，但是薄弱处的应力并不随着槽宽变大而变大，这是因为薄弱处不在圆周方向上，而在槽与槽之间的斜面上。
2 结论
首先在Pro/E3.0平台上利用Pro/E3.0参数化特性建立参数化的声系外壳三维实体模型，然后通过数据转换导入ANSYS，对模型进行了应力分析，找到了声系外壳最易断裂的位置，并通过改变槽的宽度，比较了不同尺寸下模型薄弱处的最大应力，为进一步改进设计、优化加工提供了可靠的数据支持。
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