基于ANSYS的K形井架架构研究.pdf

2 0 0 8 年第3 7 卷石油矿场机械 第2 期第5 页 O I LF I E L DE Q U I P M E N T 2 0 0 8 ，3 7 2 5 ～7 文章编号；1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 0 8 0 2 - 0 0 0 5 0 3 基于A N S Y S 的K 形井架结构研究 李夯，齐明侠 中国石油大学机电工程学院，山东东营2 5 7 0 6 1 摘要基于A N S Y S 建立了K 形井架的有限元分析模型，进行了静态力学性能、自振特性、稳定性 综合分析和计算，全面了解了其力学行为，为安全使用该井架提供了依据。 关键词A N S Y S ；K 形井架；结构研究 中图分类号T E 9 2 3文献标识码A KD e r r i c kS t r u c t u r eR e s e a r c hU s i n gA N S Y S L IH a n g ，Q IM i n g x i a C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m ，D o n g y i n g2 5 7 0 6 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h em o d e l i n go fKd e r r i c ka n dc a r r i e do na n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fs t a t i cm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es t a b i l i t yb a s e do nt h e A N S Y S ．S ow eh a v eac o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n gt oi t sm e c h a n i c sb e h a v i o r ． K e yw o r d s A N S Y S ；Kd e r r i c k ；s t r u c t u r er e s e a r c h 有限元是一种非常有效的数值分析方法，其核 心思想是将结构离散化，将实际结构离散为有限数 目的规则单元，把无限自由度的求解问题转化为有 限自由度的问题，通过建立数学方程获得有限自由 度的解，因而可以解决许多采用理论分析无法求解 的复杂工程问题。随着计算机的飞速发展，有限元 得到越来越广泛的应用，将有限元分析法应用于石 油钻机井架的结构分析中，可完成井架系统静、动力 计算，获得井架的固有频率和振型等重要参数。本 文用Z J 3 0 型石油钻机K 形井架为研究对象，基于 A N S Y S 有限元高效分析软件，结合在役井架及新 井架的实际承载工作情况，对井架的静态力学性能、 自振特性、稳定性等进行综合性能分析，所得结果可 为对在役井架进行承载能力、现场测试等提供参考。 ， 1 建立有限元模型[ 1 ] 由于石油钻机井架主体为焊接结构，节点具有 较大刚性，在载荷作用下会产生相当大的拉压应力 和弯曲应力，有限元分析模型中将井架主体结构简 化为三维弹性梁单元 B E A M 4 ，以井架各杆件的自 然焊接点作为有限元分析模型的节点。二层台、天 车、工作梯、护拦等附件对井架的刚度影响较小，可 在简化时全部忽略。简化后各部分之问可视为可靠 连接，在强度上各部分为一体结构，锥销对中和螺栓 连接处采用等效节点，以此保证建立的结构模型在 满足模型求解同时，尽可能与实际结构接近。井架 属空间结构，一般采用空间梁单元模拟，以井架各桁 格为自然段，各段间设立节点，所有的单元都连接在 节点上，井架力也要简化到各个节点上。Z J 3 0 型石 油钻机K 形井架的有限元模型如图1 ，共离散为 1 7 8 个单元，8 2 个节点。 2 静态分析 静力分析用于求解外加载荷作用下，井架构件 的位移、应力、应变和力。通过对井架在给定载荷作 用下的计算，求其位移、应力、单元力等的变化。同 时，可以将井架与地面接触的节点铰接固定，便于有 限元计算；井架承受工作载荷是通过大钩传递到井 收稿E l 期2 0 0 7 0 7 2 7 作者简介李夯 1 9 8 3 一 ，男，山东德州人，硕士研究生，主要研究方向为机电一体化理论 含机械设计 。 万方数据 石油矿场机械 2 0 0 8 年2 月 架顶部天车，可将载荷平均分配到井架顶部的4 个 节点上。井架底部与底座的联接节点采用定铰约束 模型，即约束节点在z ，Y ，z 三个方向的位移而不约 束旋转。 图1K 形井架有限元模型 本文对井架进行静力计算时要考虑最大钩载工 况。该工况下，井架承受最大钩载，在最大钩载作用 下，井架上还有快绳拉力和死绳拉力等载荷，根据 A P I 所提供计算公式 Q D 型‰一 1 Z 式中，z 为钻井绳数 z 一8 ；Q D 为井架顶载；Q 一为 最大钩载。 对于z J 3 0 型钻机，井架最 大钩载Q 。 17 0 0k N ，所以 b - - - - 25 5 0k N 。该载荷平均加 于井架顶部的4 个节点上。 根据A N S Y S 计算的结 果，表明井架在承受垂直载荷 时，其主要变形为下压变形和 前倾变形，如图2 ，即2 方向 和X 方向的位移，这是由于井 架后部有支撑约束的结果。Y 方向的位移很小。 该井架的最大线位移为 7 1 ．7m m ，位于井架顶部节 点，方向为z 方向 即前倾方 向 。最大角位移为2 ．6 3 68 1 0 ～r a d ，位于井架中部，方 向为绕y 轴。 井架可从下向上分成1 9 图2K 形井架变形 层，计算井架大腿主杆 即大腿左前侧弦杆、大腿左 后侧弦杆、大腿右侧弦杆、大腿右前侧弦杆 的应力， 最大值为一7 9 ．7 5 4M P a 。 3 井架自振模态分析∞] 系统的结构模态是由系统的特征值和特征向量 所确定的，模态表示其无阻尼自由振动时的各阶固 有振动频率及其相应的固有振型。根据井架的工作 状态，其无阻尼自由振动的动力平衡方程为 M 由 西 砌 F f 2 式中，M 为质量矩阵；C 为阻尼矩阵；成为速度列向 量囊为加速度列向量；F f 为外力列向量。 求固有频率和振型时，式 2 可简化为 M 西 K u 0 } 3 如此，将求解结构固有频率和固有振型问题归 结为求解式 3 的特征值和特征向量的数学问题。 求解式 3 即可获得井架的各阶固有频率。利用有 限元方法计算井架类钢结构时，边界条件的界定与 转换直接影响到计算结果的精度，因此可对有限元 模型做修正加以克服。利用A N s Y S 计算可得到前 6 阶振型图 如图3 以及前6 阶振动频率 如表1 。 表1Z J 3 0 型钻机K 形井架前6 阶振动频率 由此可见，1 阶反映井架的侧向振动，2 阶与3 阶反映井架的整体振动，4 阶反映井架下部振动，5 阶和6 阶反映扭转振动。同时可以看到井架振动的 频率一般都比较低 几个H z ，而绞车在第一起升挡 时滚筒转频约1 ．7H z 转速约1 0 0r ／m i n ，转盘转 频一般也在这个频率附近，在实际使用时要特别考 虑共振的问题。 ， 4 稳定性分析∞3 由单元刚度矩阵和单元几何刚度矩阵集合成整 体结构的刚度矩阵和几何刚度矩阵，其平衡方程为 K - - a K7 “ P 4 式中，口为屈曲载荷因数；K 为结构刚度矩阵；为 几何刚度矩阵；“为位移；P 为作用在井架上的载 荷，即前述静力计算中的最大钩载Q 。，。 设井架结构为平衡状态，加以干扰，使其产生一 个附加位移“‘，若结构仍能处于平衡状态，而不恢 复原平衡状态，则有 万方数据 第3 7 卷第2 期李夯，等基于A N S Y S 的K 形井架结构研究 K K “ U ’ P 5 由式 4 和式 5 可得 K - - a K ’ “’ 0 } 6 显然，若U 一- - “ { 0 ，满足式 6 ，表示未发生干扰 1 阶振型2 阶振型 或虽受干扰又恢复到原平衡状态。现假定结构处于 临界状态，即“。中元素不全为0 ，仍能满足平衡条 件，这时方程因数行列式必须等于0 ，其稳定方程为 K - - a K ’J O 7 3 阶振型4 阶振型5 阶振型6 阶振型 图3 井架前6 阶振型图 求解式 7 得到屈曲载荷因数G t ，其临界载荷 P L 为 P L 口P 8 本文应用A N S Y S 屈曲分析功能，在静力计算 的基础上得到结构与几何刚度矩阵，表2 列出了前 1 0 阶的屈曲模态对应的载荷因数a 。 表2Z J 3 0 型钻机K 形井架前l O 阶载荷因数 由表2 可见，随着阶数的升高，载荷因数有上升 的趋势。低阶模态载荷因数接近1 ，故低阶模态的 临界载荷接近于最大钩载；高阶的模态临界载荷由 于载荷因数的上升，越来越大于最大钩载。总体上 临界载荷大于最大钩载，在一般的钻机作业情况下， 不会出现失稳状况。 。 5结束语 通过对Z J 3 0 型钻机井架结构进行静态力学性 能、自振特性、稳定性综合分析和计算，对其力学行 为有了全面了解，克服了以前从单一角度进行研究 的局限性。对K 形井架的承载能力进行评估时，如 果只以静力情况作为评估标准，在有些情况下，所得 结果不安全，甚至可能得到与实际情况不符的结果。 所以对井架承载能力评估时，应结合静力、动力及稳 定性几方面情况综合进行。 值得指出的是，在稳定性分析中采用特征值 线 性 屈曲分析的方法，没有考虑非线性和初始扰动， 是一种理论解。利用特征值屈曲分析可以预测屈曲 荷载的上限，在工程中经常采用特征值 线性 屈曲 分析与非线性结合的方法对实际问题进行分析。 参考文献 [ 1 ] 张波，吕圣仕，彭代清．应用C A E 软件分析计算钻机 井架静应力[ J ] ．石油矿场机械，2 0 0 4 ，3 3 3 3 9 4 1 ． [ 2 ]薛继军，许爱荣，赵志丽，等．钻机井架有限元模态分析 [ J ] ．石油矿场机械。2 0 0 1 ，3 0 6 4 4 4 6 ． [ 3 ] 陈淮，王伟，胡少伟，等．A 型石油钻机井架结构分 析[ J ] ．石油机械，1 9 9 7 ，2 5 4 3 - 4 ． 万方数据 基于ANSYS的K形井架结构研究基于ANSYS的K形井架结构研究 作者李夯， 齐明侠， LI Hang， QI Ming-xia 作者单位中国石油大学,机电工程学院,山东,东营,257061 刊名 石油矿场机械 英文刊名OIL FIELD EQUIPMENT 年，卷期2008，372 引用次数5次 参考文献3条参考文献3条 1.张波.吕圣仕.彭代清 应用CAE软件分析计算钻机井架静应力[期刊论文]-石油矿场机械 200403 2.薛继军.许爱荣.赵志丽 钻机井架有限元模态分析[期刊论文]-石油矿场机械 200106 3.陈淮.王伟.胡少伟 A型石油钻机井架结构分析[期刊论文]-石油机械 199704 相似文献2条相似文献2条 1.学位论文 李翠艳 双升式钻机井架及其底座动态特性研究 2007 近年来,K形井架的优势被越来越多的用户所认识,自升式底座也正逐渐取代其它类型的底座,如层箱式、箱块式底座等.本文研究的双升式钻机井架及 其底座就是由K形井架及自升式底座组成,它的突出特点是井架支了二底座之上,在初始位置,井架及底座折叠在一起,能实现钻井设备的低位安装,整体起 升,并具有安装、运输方便,投入使用快捷的优点.本课题在现有研究基础上,与工程实际紧密结合,通过对双升式井架及底座整体的静、动态特性研究,寻 找薄弱环节和安全隐患,以期为现场钻井作业提供理论规范,避免现场钻井事故的发生,进一步丰富、完善和发展井架及底座结构分析理论.按照双升式钻 机井架及其底座的实际结构特点,建立有限元模型,运用ANsYS有限元软件按三种工况对其进行静态分析,得出在给定载荷作用时的应力和位移.模态分析作 为结构动力特性研究的一种近代方法,逐渐成为现代工程领域动态分析与设计的核心,它所决定的结构固有频率和振型,正是结构承受动态载荷结构设计中 的重要参数,故而成为其他诸如瞬态分析等动力学分析的起点.本文利用有限元方法完成了钻机井架及其底座的模态分析,获得前十阶固有频率和振型,观 察计算位移与等效应力,得到井架及其底座的振动特性.本文重点实现了钻机井架及其底座瞬态动力学分析.通过到现场进行数据采集,获得了大钩的载荷 值,以大钩载荷为统计变量,建立对数正态分布模型,以离散的统计特征值来代替连续的实际载荷历程,编制得到动态研究所用的试验用程序载荷谱.完成了 井架及其底座在正常工作状态下的瞬态动力学分析.寻找剑各个方向的时间响应变化规律. 2.学位论文 赵庆梅 石油井架的动态测试研究 2006 本文为中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“在役钻机安全评定方法”中的部分研究内容。研究工作主要集中于在用井架安全承载力 的动态测试与评定方法研究。本课题根据振动分析理论并结合有限元仿真计算以及实验室井架模型的动态测试，提出了一种评定井架安全承载能力的动 态参数评定方法，该方法可以真实地反映井架整体结构的实际性能，科学全面地对现场井架进行安全评定。 本文首先根据井架的结构特征和受力特点将井架结构简化为一根沿长度上质量均匀分布、刚度恒定的简支梁模型，并对井架结构简化模型进行振动 分析，推导出井架结构作用载荷与其动态参数之间的关系式，从理论上验证了动态参数评定井架承载能力的可行性。 有限元分析主要在开发ANSYS软件的基础上，根据井架实际构成形式，将杆件简化为三维空间梁单元，建立井架计算机数值模型，分析井架结构的动 力特性，得到了井架模态特征以及井架结构作用载荷与其动态参数之间的关系；测试分析主要以DASP软件为分析平台，使用大容量数据采集动态测试系 统对实验室井架模型和在用井架进行动态测试，测试数据真实地反映了井架结构承载能力和动态参数之间的关系。从有限元分析和测试分析两方面验证 了动态参数评定井架安全承载能力的实用性。最后，根据上述分析结果以及现场实际情况，提出了一种适用于现场井架试验的动态参数评定方法。即现 场井架试验时，测试井架在零载和有载工况下的固有频率，根据井架承载能力和动态参数之间的关系式，计算井架安全承载能力。并应用此方法对现场 A形井架和K形井架进行了安全评定，评定结果科学可靠，真实反映了现场井架的实际承载性能。 引证文献5条引证文献5条 1.高学仕.汪炳贵.王栋.李文勇 HJJ450/45-T型海洋井架动力特性分析[期刊论文]-石油矿场机械 20095 2.吴仲华.田家林.梁政.聂云飞.杨琳 分支井井眼连接总成预成形过程仿真分析[期刊论文]-石油矿场机械 20093 3.张学军.陈孝珍 ZJ70DB型钻机井架起升过程有限元仿真分析[期刊论文]-石油矿场机械 200812 4.李美求.段梦兰.赵寿元 海上废弃桩基平台导管架拆除方法初探[期刊论文]-石油矿场机械 200812 5.李鹏 ZJ70DZ型钻机工作工况下结构静力分析[期刊论文]-石油矿场机械 200912 本文链接 下载时间2010年6月1日