基于ABAQUS的钻井平台锁紧系统有限元分析.pdf

2 01 5钲 第 3期 第 4 4卷 第 4 8页 石油 矿 o l L FI ELD 场 机 械 E QUI P MENT 2 O 1 5， 4 4 3 4 8 5 1 文 章 编 号 1 0 01 - 3 4 8 2 2 O1 5 0 3 0 0 48 04 基于 AB A QUS的钻井平 台锁 紧系统有 限元分析 王建才 ， 杨 立东 ， 田 俊 ， 马树 宇 1 ． 渤海装 备辽 河重 工有 限公 司， 辽宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 ； 2 ． 盘锦凯瑞能源有限公司 ， 辽 宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 摘要 锁 紧系统是 自升式钻井平台的关键部件 ， 其可靠性对于平台 自身安全至关重要 。利用传统的 力学公 式和计 算 方法很难 验 算锁 紧 系统 各部 件 应 力的 大 小及 分 布 。为 验 证锁 紧 系统 结 构 的合 理 性 ， 以有 限元软 件 AB AQUS将 锁 紧 系统 各部件 划分 为规 则 的六面体 网格 单 元 ， 并 以非 线性模 块 作 为计算 分析 平 台对其进行 强度 分析 ， 根据 计 算结果进 行 强度校 核 。结果 表 明 ， 锁 紧 系统各 部件 均 能 满足强度要求， 同时也为开发锁紧系统相关 系列产品提供 了可靠数据。 关键 词 钻 井平 台 ； 锁 紧 系统 ； 非线 性 ； 强度校核 中图分 类号 TE 9 5 1 文 献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 4 2 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 1 F i n i t e E l e me n t An a l y s i s o f Dr i l l i n g P l a t f o r m Lo c k i n g S y s t e m B a s e d o n AB AQUS W ANG J i a n c a i ， YANG Li d o n g ， TI AN J u n ， MA S h u y u 1 ． Bo h a i Eq u i p me n t Li a o h e He a v y I n d u s t r y C o mp a n y， Pa n j i n 1 2 4 0 1 0， C h i n a； 2 ． Ka i r u i En e r g y C o． ， Lt d ．， Pa n j i n 1 2 4 0 1 0， Ch i n a Ab s t r a c t The l o c k i ng s y s t e m i s a ke y c o mpo ne nt of o f f s ho r e d r i l l i ng pl a t f o r m ， t h e r e l i a bi l i t y o f t h e l o c ki ng d e v i c e i s v i t a l f o r t he s a f e t y o f pl a t f o r m ． I t i s di f f i c u l t t o s i mul a t e i t s s t r e s s v a l ue a nd d i s t r i b ut i on a c c u r a t e l y by u s i n g c l a s s i c a l m e c h a ni c s ． I n or d e r t o v e r i f y t he r a t i o n a l i t y o f t h e l o c k i ng s t r u c t ur e， e a c h c omp on e nt o f t h e l o c k i ng s y s t e m i s me s he d a s he xa h e d r a l e l e me n t s b a s e d on t he AB AQUS s o f t wa r e ， s t r e n g t h a n a l y s i s o f t h e l o c k i n g d e v i c e i s f i n i s h e d b a s e d o n t h e n o n l i n e a r a n a l ys i s p l a t f or m a nd c he c ki n g t h e s t r e n gt h a c c o r di n g t o t he c a l c ul a t i o n r e s u l t s ．Th e r e s u l t s s h owe d t ha t， i t s s t r e ng t h me e t s t he d e s i gn r e q ui r e m e nt s， a t t he s a me t i m e i t a l s o pr o vi de s t he r e l i a bl e d a t a f o r t he de v e l o pme n t o f t h e l o c ki ng s y s t e m r e l a t e d p r od uc t s ． Ke y wo r d s dr i l l i n g pl a t f o r m ； l o c k i ng s ys t e m ； n on l i ne a r ； s t r e n gt h c he c 自升式 钻井 平 台是 近 年来近 海油 气勘 探开发 中 使 用最 广泛 的海 洋 工程 装 备 之 一 ， 平 台 锁 紧 系统 是 自升式 钻井 平 台的关键 核 心部件 。对 于锁 紧装置 而 言， 安全可靠性设计是极其重要的环节， 研制性能良 好的 锁紧装置对于平台的安全稳定起关键作用 。因 此 ， 需 要设 计 出合 理 的结 构 ， 选 取 合 适 的 零 部 件 材 料 ， 采取适宜的计算方法 ， 来验证锁紧系统在实际作 业工况中能否达到使用要求 。 1 结构 组 成 同 以前 的锁 紧机 构 相 比， 新 研 制 的锁 紧系 统无 论在结构和承载能力上都有 了较大的提升和改进 。 锁紧系统的整体钢架采用拼接式结构 ， 内部零件采 取 锻 、 铸 结合 的工 艺 ， 不 但 结 构 简单 ， 而且 焊 接 组 装 等工序较为方便 ， 降低了装配后的成本和风险， 也使 得设计人员在研发初期就能对锁紧系统的整体性有 收 稿 日期 2 0 1 4 ～ i 0 1 2 作者 简介 王建 才 1 9 6 8 一 ， 男 ， 甘肃 武威人 ， 高级工 程师 ， 主要从 事石 油钻 机和海 洋工 程装备 的研究 ， E - ma i l w j c l s n o i 1 26 ．c om 。 第 4 4卷 第 3期 王建 才 ， 等 基 于 AB AQUS的钻井平 台锁 紧系统 有限元分析 进 一步 的理 性认 识 。新 研制 的锁 紧 系统结 构 如 图 1所 示 。 6 1 一锁 紧装 置固装架 ； 2 一 桩腿齿条 ； 3 一上传动装置 ； 4 一液压 马达 ； 5 一 锁紧块总成 ； 6 一下传动装置 。 图 1 锁紧系统结构 2锁紧 系统有 限元分析理论 六 面体单 元 是拥 有局 部和 整体 两个 坐标 系 的三 维单 元 ， 可 用 线 性 函 数 描 述 _ 3 _ 。其 基 本 参 数 如 应 力、 应变等与弹性模量 E和泊松 比 有 关联， 每个 六面体单元有 8个节点且每个节点有 3个 自由度。 分析计算的基本步骤如下 。 2 ． 1结构 离散 化 将整体离散成有 限个微分体 d x d y d z ， 任取一个 来探讨应力一 应变之间 的关系 。整体在外部载荷 的 作用下 ， 体 内任一点 的应力状态 由 6个应力分 、 、以、 “ff x y 、 r 、 r 来 表示。其 中， 、 、 t7 表示各 坐 标 轴上 的正 应 力 ， “ff x y 、 r 、 r 表 示 各 平 面 内 的剪 应 力 ， 微 观模 型如 图 2所示 。 图 2 微六 面体单元的力学模型 2 ． 2 单元 分析 由弹性力学可知， 弹性体 内任取一点处 的应力 、 应变 和位 移 间 的关 系 可根 据 以下 公式 描述 出 1 位 移 和应变 间 的关系 。 8 一 ￡ ， ￡ ， e ， ， y ， 7 B 6 1 式 中 8 为 单 元 内任 一点 处 的应 变 矩 阵 、 e 、 ￡ 。 为 任 一 点 处 的 正应 变 ； 、 、 为 任 一点 处 的剪 应 变 ； B 为几 何 矩 阵 ； 为单元 节点位 移 矩阵 。 2 应 变 和应 力 问的关 系 。 f 一 ， ， ， ， r ， r 一 D ￡ c 。 一 式 中 盯 为单 元 内任 一 点 处 的 应 力矩 阵 ； D 为 弹 性矩 阵 ； E 为单 元所 属材 料 的弹 性 模量 ； 为单 元 所 属材 料 的泊松 比 。 3 单元 刚 度方 程 。 根据虚功原理建立单元刚度方程 ， 单元节点力 和 节点 位移 间 的关 系即可 在方 程 中显现 出来 。 F 一 K 3 式 中 为单 元 节 点 载 荷 矩 阵 ； 为单 元 刚 度 矩 阵 。 2 ． 3整体 分析 在 单 个 单元 刚度 方 程 的基 础 上 ， 通 过集 成 得 到 整体刚度方程 ， 在此基础上进 行整体结构分析。集 成的原 则是 相 邻 单元 问在共 用 节点 处 的位 移 也 相 同 。 F 一 K 4 式中 F 为整体节点载荷矩阵； K 为整体 刚度矩 阵 ； 6 为整体节点位移矩阵。 2 ． 4求 解节 点位 移及 单元 的应 变与 应 力 求 解方 程式 4 。根据 得 出的节 点位 移 ， 代 人式 1 ～ 2 并计 算 ， 即 可得 到 相 应单 元 节 点 的 应 变 和 应 力。 3 锁 紧 系统的有 限元模型建立 有 限元 软件 自身的建 模功 能与 专业 的三 维绘 图 软件对 比而言 ， 其功能相对单一， 但均与各绘图软件 有着 良好的接 口程序 ， 因此锁紧系统实体模型采用 UG进 行建 模 ， 之 后 导 入 AB AQUS软 件 中将 模 型 进 行规 则 的六 面体 网格 划 分 ， 以提 高分 析 计 算 结 果 的精度 。确保模 型 在分 析计 算过程 中能够达 到所 需 精度的前提下 ， 将实体结构中的部分细小倒角， 螺栓 孔等对整体强度影 响较小的结 构进行简化处理， 以 缩短不必要的计算时间l_ 4 ] 。以 AB AQ US软件 的非 线性 分析 模块 作为 分 析 平 台 ， 对 锁 紧 系统 加 载 极 限 载荷 的工 况下 进行 极 限强 度 分 析 ， 并 对计 算 结 果 进 石 油矿 场 机械 2 0 1 5 年 3 月 行 必要 的后处 理 。 在对 锁 紧系统 进 行 强度 分 析 的 同时 ， 将 其 内部 结构 如锁 紧齿 条 、 压块 等 锁 紧 装 置 中 的关 键 部 件进 行 建模 ， 尽量做 到 与实 际情况 相一致 ， 从 而减少 因外 部条件改变造成的计算误差 。因此在分析过程中采 取的分析类型为边界非线性 。此类问题在物体相互 接 触边 界位 置 以及 接触 面上 的应力 大小 和分 布事 先 是 未知 的 ， 将 整个 问 题求 解 完 成 后 才 能确 定 各 接触 面 的受 力情 况 以及 位移 变化 。 前 处理 在整个 有 限元分 析过程 中所花费 的 时间 和精力是最多的， 占整个过程 的 7 0 左右 。而前处 理过程中， 有限元模型网格质量对于求解 的精度和 准确度有着决定性 的影响。前处理的效率高低以及 质量好坏对整个有 限元分析重要性很高。在接触分 析中， 同等条件下 ， 六面体网格要 比四面体网格仿真 的结果更为准确 ， 在接触起作用 的同时也能使分析 更容 易收敛 ， 这也 是 本 次 锁 紧 系统 采 用六 面体 单 元 为 主分析 的原 因 。 锁紧 系统实 体模 型选用 8节点六 面体 单元 对其 进行 规则 的 网格划 分 ， 压 块 加 载 端 面采 用 主 控制 点 与 MP C刚性梁单元结合 的形式进行连接， 以模仿 极端 载荷 的加 载形 式 。桩腿 齿 条施加 对 称的 固定 约 束方式 ， 锁紧系统内部各接触件如导轨架与压块， 压 块 与锁 紧齿条 ， 锁 紧齿条 与桩腿 件均 建立 接触 对 ， 以 模仿实际情况下两两物体 的接触状态。 因锁 紧装 置 为左 右 对称 结 构 ， 因此在 有 限 元建 模 过程 中只建 立 1 ／ 2结 构 ， 这 样不但 节 省建模 周期 ， 也 能简化 计算 过 程 ， 节 省 前处 理 的时 间 。有 限 元模 型如 图 3所 示 。 柬 图 3锁紧系统有限元模型 本 次分析 选取 极 限 载 荷 工况 进 行 应 力分 析 ， 极 端载荷为 7 ． 2 1 0 k N。因为模 型成对称性模 型， 所以计算采用半模型进行分析计算 ， 对称面上施加 对称边界约束 ， 加载取 3 ． 6 1 0 k N进行分析计算。 锁 紧齿条和楔块 的材质均为 4 0 C r Ni Mo ， 其综 合力学性能良好 ， 有高的强度、 韧度和 良好的淬透性 和抗过热的稳定性 ， 使其广泛用于制造强度高、 塑性 好 的重 要零 部件 。桩腿 齿 条采 用 A5 1 7 Q， 导轨 架 材 料选为 E 5 5 0 ， 其基本属性如表 1 。 表 1材 料 基 本 属 性 本 次有 限元分 析 ， 在 对 模 型 附着 材 料 属性 时 的 单位 制是 mm～ N MP a ， 其原 因是 有 限元 软 件 中没 有 固定的单位制 ， 因此在对模型附着材料属性时， 其数 值本身所含有的特定单位将被软件作为默认值_ 5 ] 。 4 锁 紧装置 的强度分析 有 限元 位移 法 的分 析方 程可归 纳 为 KU F 5 式中 K 为结构刚度矩 阵； U为位移列向量 ； F为外 载荷列 向量 。 在 分析 过程 中用 到 了多 点 约束 即 MP C。MP C 通过多点约束的形式将不 同的节点进行耦合连接， MP C内部合力为零 ， 其不会增加结构的刚度， 并且 运用梁单元将各不 同部件连接 ， 其计算过 程仍可看 作 是 线 性 的 ， 此 举 节 省 了 大 量 的 前 后 处 理 时 间 。 MP C单 元 即多点 约束 刚性梁有 如下 特性 U 一 l l ； e e 一 0； e P 5 0 6 -- a r c t a n 7 式 中 U 为 节 点 i 处 的平动 矢 量 ； e 为 节点 i 处 的转 动 矢量 ； 西为 当前 坐标 系下 的旋 转 角 。 由式 6 可得到 3个附加方程来处理实体单元 与梁单元 间不 同 自由度 数之 间耦合 的 问题 6 ] 。 根 据 材料 力 学方 面 的理 论 可 知 ， 在一 定 厚 度 的 范 围内 ， 板材 厚度 对材 料 的许 用应 力是 没有影 响 的 。 但随着板材厚度的增加 以及制造工艺的改变可能使 板材内部存在缺陷等 ， 就会造成材料的力学性能随 着板材厚度的增加而下降现象 的普遍发生 。为此， 在锁紧系统的设计过程中， 这方面 的因素也在考虑 范 围之 内 ， 从 而加 强 了设 计 的合 理 性 和 可行性 r 7 ] 。 根据 海上 移 动平 台入 级 规 范 ， 取 材 料 的一 般 局 部 安 全系数 7 一 1 ． 1 。锁 紧系 统关 键 部 件锁 紧 齿 条 、 楔块 、 导轨架的有限元分析应力云图分别如图 4 ～6