（机械电子工程专业论文）含服役缺陷的石油井架检测仿真技术研究.pdf

含服役缺陷的石油井架检测仿真技术研究 李兆勇( 机械电子工程) 指导老师：高学仕教授 摘要 “含服役缺陷的石油井架检测仿真技术研究”是根据油田现场工作 人员的需要而开展的工程实际研究课题。 首先，介绍了钻机井架计算的理论基础、a n s y s 有限元分析软件 及其在井架建模中的应用，指出选用三维弹性梁单元b e a m 4 作为井架 模型单元，并详细叙述了b e a m 4 单元的理论及其建模过程的技术重 点。 其次，研究了整体弯曲、局部杆件弯曲、杆件锈蚀和支座沉陷等服 役缺陷对现役井架极限承载能力的影响，得出了建立含各种服役缺陷井 架模型的等效处理方法。以z j 4 0 钻机井架为例，建立含各种服役缺陷以 及无缺陷的井架模型，计算求解并提取结果，根据计算结果研究含各种 服役缺陷的井架承载能力降低的规律趋势，并得出相关结论。 再次，在上述缺陷原理及计算分析的基础上，基于v b 6 0 编程软 件，设计并建立了一套含服役缺陷的井架承载能力仿真分析软件。简单 叙述了该软件的编程思路、操作过程和可实现的功能。该软件具有可视 化、可靠性、系统性、可操作性和经济性等特点，不仅能替代现场测试 的功能，而且较现场测试更具有全面性。 最后，对实际井架现场测试，目的在于用测试值与仿真计算值相比 较，验证计算值的可信度。 关键字：井架，缺陷，有限元分析，仿真，a n s y s t h er e s e a r c h0 1 1t h et e c h n i q u eo fe x a m i n a t i o na n d s i m u l a t i o na b o u td e f e c t i v ed e r r i c k s l iz h a o y o n g ( e l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) t u t o r ：p r o f e s s o rg a ox u e s h i a b s t r a c t ”1 1 他r e s e a r c ho nt h et e c h n i q u eo fe x a m i n a t i o na n ds h n u l a t i o na b o u t d e f e c t i v ed e r r i c k s ”i sa l la c t u a lr e s e a r c ht o p i cw h i c hd e v e l o p e da c c o r d i n gt o t h en e e d so f t h eo i l f i e l d e r f i r s t , i n t r o d u c e dt h eb a s a lc o m p u t a t i o n a lm e t h o d so f & i l ld e r r i c k s ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r en a m e da n s y sa n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ed e r r i c k m o d e l i n g ，p o i n t e do u t l e c 吐n gb e a m 4 a st h ed e r r i c km o d e le l e m e n t , a n di n d e t a i ln a r r a t e dt h er a t i o n a l ea n dt h ek e yp o i n t so f m o d e l i n gp r o c e s st c c h l l i c a l a b o u tt h eb e a m 4e l e m e n l s e c o n d l y ，f r o ms t u d y i n gt h ei n f l u e n c et ot h ea c t i v ed e r r i c k sl i m i t e d s u p p o r t i n gc a p a c i t yr e s u l t e df r o mt h ed e f e c t ss u c ha sw h o l ec u r v i n g 、p a r t i a l c u r v i n g 、p o l er u s t i n ga n dd e p r e s s i o no fs u p p o r t s , o b t a i n e dt h ee q u i v a l e n t p r o c e s s i n gm e t h o d so fe s t a b l i s h i n gs e v e r a ld e f e c t i v ed e r r i c km o d e l s t a k e t h ez j 4 0d r i l ld e r r i c k 硒t h ee x a m p l e e s t a b l i s h e dc o n t a i n i n ge a c hk i n do f d e f e c t i v e 船w e l l 懿t h ez e r od e f e c t i v ed e r r i c km o d e l c a l c u l a t e dt h es o l u t i o n a n dw i t h d r a w st h er e s u l t , s t u d i e dt h er e d u c er u l eo fs e v e r a ld e f e c t i v ed e r r i c k b e a r i n gc a p a c i t ya c c o r d i n gt ot h ec o m p u t e dr e s u l t , t h e nw i t h d r a w st h er e l a t e d c o n c l u s i o n s o nt h eb a s i co ft h ea b o v ef o u n d a t i o n , b a s e do nv b 6 0 ，d e s i g n e da n d e s t a b l i s h e das e to fs i m u l a t i o ns o r w a r ew h i c hc a na n a l y s i sd e f e c t i v ed e r r i c k s b e a r i n gc a p a c i t y s i m p l yn a r r a t e dt h i ss o f t w a r ep r o g r a m m i n gm e n t a l i t y 、t h e o p e r a t i n gp r o c e s sa n dt h er e a l i z a b l ef i m e t i o n s t h i ss o f t w a r eh a st h e c h 锄锄栅o fv i s i b l e 、r e l i a b i l i t y 、s y s t e m a t i c 、o p e r a t i o n a la n de f f i c i e n c y n o to n l yc 趾s u b s t i t u t et h ef u n c t i o no fs c 圮n et e s t , b u ta l s oc o m p a r et h es c e n e t e s tt oh a v em o r ec o m p r e h e n s i v e f k , a a t l y ，t h eg o a lo ft h ea c t u a ld e r r i c ks c e n et e s tl i e si nw i t hc o m p a r i n g t h et e s tv a l u ea n dt h es i m u l a t i o n p r e d i c t e dv a l u e , c o n f i r m a t i o n t h e c o n f i d e n c el e v e lo f p r e d i c t e dv a l u e k e y w o r d s ：d e r r i c k , d e f e c t i v e , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s , s i m u l a t i o n , a n s y s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：盔j 竖壹 刃年多月z 厂同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 口7 年 c , - 月2 ，厂 日 嘲年j 月u 1盏 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 井架在油田服役多年后，存在着各种服役缺陷，含服役缺陷的井架 对井架承载能力可能产生非常大的影响。油田现场技术人员，急需知道 井架有了服役缺陷后，其承载能力的下降情况和剩余寿命期限。 石油井架超过十五年服役期后，石油工业标准要求必须对井架进行 安全技术检测。目前，各油田进行井架检测的主要方法是对井架现场载 荷试验和外观检测。 井架现场载荷试验一般是通过测量井架的应力、位移及结构动态特 征，确定在用井架安全承载能力。但由于现场试验不可能对井架上各杆 件都布置测点，试验载荷受工况条件限制，大大低于井架设计载荷。另 外，现场加载试验难以考虑风载对井架承载能力的影响。因此，提出了 “含服役缺陷的石油井架检测仿真技术研究”课题。该课题是利用计算 机仿真的方法，模拟井架加载试验，并考虑井架存在局部缺陷的仿真计 算方法及承载能力分析。 “含服役缺陷的石油井架检测仿真技术研究”是中国石化胜利油 田有限公司技术检测中心提出的研究课题，该项目对提高石油井架检测 技术水平，快速有效地服务于油田生产有重要的实际意义。 1 2 含服役缺陷井架的研究现状 在国外，石油井架承载能力和安全评定的研究工作一直在进行中。 美国石油学会( a p i ) 制定的标准a p is p e c4 f 钻井和修井结构件规 范中给出了外观查测、简易诊断和一般处理与预防三个方面的安全评 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 定方法。从查测的内容来看，主要是井架杆件的变形、损伤、磨损、腐 蚀等，诊断的结论多偏重于定性分析，处理与预防也不够具体“1 。 国内石油界在上世纪八十年代提出了井架承载能力及其可靠性评定 课题，并开始对塔型井架的破坏形式及原因进行探讨，定性地指出主弦 杆( 大腿) 由于使用或拆装生产的弯曲残余变形是发生井架失效的一个主 要原因咖叫。在井架的力学分析方面，国内学者对多种井架进行了较详 尽的力学行为分析，包括静态力学性能、自振特性及动态响应等方面的 分析。随着井架使用年限的增加，各种缺陷对井架力学性能的影响日渐 显著旧。国内学者对井架初始缺陷的研究开始于上世纪九十年代初，研 究了节点坐标偏移及杆件锈蚀对井架可靠性的影响。1 ，分析了外载不变 的条件下应力与缺陷的变化；分析了初始弯曲对井架承载能力的影响， 考虑了井架整体初弯曲及主弦杆弯曲，给出了考虑服役缺陷的现役井架 承载能力计算步骤和公式旧州“1 。 近年来，有限元分析软件不断发展与改善，对井架承载能力的计算 研究从手工计算改为计算机计算，基于有限元分析软件的井架承载能力 计算逐步走向成熟。国内外学者根据钻机井架的结构特性，利用有限元 分析软件a n s y s ，建立经过合理简化的井架模型，对井架模型进行了静 力计算、动力计算、稳定性计算、模态分析、几何非线性分析等方面的 研究n 们1 ”。 1 3 本文研究的主要内容 该课题的目的是为了利用计算机仿真的方法替代现场测试，实现对 有服役缺陷井架承载能力的研究。主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 研究有服役缺陷的石油井架承载能力数值仿真方法 从理论上分析各类井架( 包括：a 型、前开口型、修井机井架) 服 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 役缺陷对井架极限承载力的影响，提供各种井架服役缺陷对井架极限承 载力的分析方法。利用有限元分析软件a n s y s ，建立能够体现服役缺 陷的井架结构模型，并利用合适的有限元计算方法进行计算。对井架模 型附加不同程度的缺陷，研究服役缺陷对井架承载能力的影响规律及承 载能力降低的程度。 ( 2 ) 建立一套含服役缺陷的石油井架承载能力的仿真分析软件 在上述“井架承载能力数值仿真研究”的基础上，设计“有服役缺 陷的石油井架承载能力的仿真分析软件”。该软件具有可视化、实用 性、可靠性、系统性、可操作性、快速性、经济性等特点，仿真分析软 件不仅能替代现场测试的功能，而且较现场测试更具有全面性。 ( 3 ) 进行井架承载能力试验 中国石油大学现有一部1 ：2 5 的大k 形井架模型，胜利油田某厂有 一台z j 5 0 l d b 钻机井架需要测试。对这两个井架加载并测量应力，提取 测量应力结果；分别建立两个井架的有限元模型，施加与测试井架同样 的载荷，约束求解，提取计算应力结果；比较测量应力结果与计算应力 结果，用于验证有限元软件理论计算方法和结果的真实可信度。 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 第2 章钻机井架计算原理及建模理论 2 1 钻机井架的计算原理 钻机井架是一种空间刚架结构，主要承受在钻井过程中及其它工艺 过程中产生的载荷，同时兼有提供设备运转空间等职能。计算井架承载 能力的目的是保证其在规定的使用寿命期间能安全可靠的支撑设计载荷 【5 】o 2 0 1 1 井架承载能力计算强度规定 在计算井架承载能力时，需要考虑静强度规定：在井架结构中，任 何部位的应力如果达到材料标定的屈服强度工，就必须认为结构已经破 坏。结构中某一部位的应力达到屈服强度，是结构承载的临界状态。按 照胡克定律，为保证结构在弹性范围内工作，用概率统计分析方法，对 结构材料抗力性能进行统计分析，在一定的可靠度情况下，确定出一个 实际应用的材料强度许用值，称为设计强度，设计强度应低于材料的 比例极限，当结构的计算应力低于设计强度时，结构就始终处于弹性范 围内工作。因此，井架的静强度条件为【5 】： 万厂 ( 2 - 1 ) 式中，万构件或结构中的计算应力； 厂材料的设计强度。 2 0 1 2 有限元法 根据钻机井架的结构特点，井架的承载能力计算采用有限元法分 析，有限元法是目前最有效的一种结构分析方法。有限元法是把要分析 的结构物，离散为有限个形状简单的单元组合体来考虑。井架结构是由 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 设f 为平面桁架的节点，“为x 方向的位移， ，为y 方向的位移，下标 阱嘲 空间桁架单元有两个节点，分别用f ，_ ，表示，因空间桁架每个节点 阱嘲 ， 6 1 - - i u 。v jw 。u j 、w j ( 2 - 4 ) 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 的结构是很容易理解的，力和弯矩必然通过杆件连接处，由一个杆件传 递到其它杆，若给出杆端点的力和弯矩，此杆的内力分布就可计算出 来。 在有限元法里，外力也是假定通过节点传到结构上的。因为内力是 假定通过节点传递的，如果外力不遵照同样的假定，在考虑内力和外力 的平衡时就不方便了。当结构的杆件作用有均布荷载和集中荷载，可根 据材料力学知识，将荷载转化为等效节点力和等效节点弯矩。 对于平面刚架来说，其节点位移除x 、y 方向的线位移“、y 外，还须 考虑角位移0 ，即每个节点上存在三个节点位移，每个节点的节点力除 了x 、y 方向的鼠y 夕 ，还须考虑弯矩m 。用矩阵表示，平面刚架的节点 位移和单元节点位移列阵为： i u i l 能卜引 ( 2 5 ) 【刚。= u ；v ；o i u jv jq 7 ( 2 - 6 ) 节点力为： 瞳，= i c z - 乃 。= x i y im ；x j 、m j 7 ( 2 - 8 ) 推广到空间刚架，则节点位移为： 点) = u ；v ；k ；民吃 7 ( 2 - 9 ) 似) 。= u ；v i w ；比巳吃u jv jw j 氏巳已 7 ( 2 - 1 0 ) 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 空间刚架的节点力为： e ) = i x ；y ；z ；m dm pm 。 t ( 2 - t 1 ) 单元节点力列阵为： 昂】。= x i y i z im x im m ix jxz j m 目m 目m 自 7 ( 2 - 1 2 ) 下面来讨论结构中任选的节点i 的力的平衡条件： 节点所受的外力可分为两类：一类是共有此节点的各单元对它的作 用力，即对应的节点力的反作用力，如果以正号表示节点力，则这些力 是负的；另一类是外力，是其它物体对结构的作用力，称为节点载荷。 记作 p d ，对空间桁架节点 民1 e ) = f i 【如j ( 2 1 3 ) 对空间刚架节点 p i ) = 民p 矗p p 如 7 ( 2 - 1 4 ) 即空间桁架节点可承受三个方向的集中力荷载，空间刚架节点可承受三 个方向的集中力荷载，同时亦可承受绕三轴的力矩作用。 若有q 个单元共有f 节点，则节点i 的静力平衡条件为： 0 e f - - p j ( 2 1 5 ) k = l 上式表达的意思是作用于f 节点的各内力( 节点力) 之和等于作用 于该节点的外力。 同时可知，每个节点的各个自由度都有这个方程。这里所说的自由 度概念与理论力学中所述不同，说有某个自由度，是说当节点发生某个 自由度方向的位移时，在单元内引起应力。桁架节点为铰接，因此仅存 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 在三个平移自由度，而刚架节点为刚结点，存在三个平移和三个转动自 由度。对一个空间桁架结构，若有”个节点，则可写出3 聍个方程。而对 一个空间刚架结构，若有聆个节点，则可写出6 n 个方程。有的自由度被 约束，位移已知为0 ，在这个自由度方向上加外力，对内力不产生影 响，这样的方程应当删去。若有m 个自由度被约束，对空间桁架结构就 剩下3 n m 个方程，对空间刚架结构就剩下6 n 肼个方程。每个方程的右端 项都是作用相应自由度方向的外力，对整个方程组来说，组成一个荷载 阵列，用 p ) 表示。每个方程的右端项是节点力之和。有限元法中多用 节点位移来表示节点力，把整个结构所有节点用节点位移表示节点力的 式子组集合到一起，就可以得到一个线性方程组： 【k m = p 】 ( 2 - 1 6 ) 式中【k 】结构的总体刚度矩阵 万卜一节点位移向量 p 卜一荷载矩阵 这个方程组的方程数目与结构的自由度数量相对应，称为结构的节 点平衡方程组。求解这个方程组即可求得各节点位移，进而得出各节点 力【扪。 2 2 有限元分析软件a n s y s 介绍 井架整体的静力计算理论是有限元法，而a n s y s 又是全球应用最广 的有限元分析软件。利用a n s y s 有限元分析软件，对钻机井架进行加 载仿真，是获得井架承载能力的最有效方法之一。 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司开发的分析软件，是世界公认的优 秀分析软件之一。a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，是目前世界c a e 行业最 大的公司。近三十年来，a n s y s 公司一直致力于分析设计软件的开 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 发，不断吸取当今世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元界 的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户科1 9 1 。 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用 有限元分析软件。可广泛用于结构的静力分析、模态分析、谐波分析、 瞬态分析、屈曲分析、断裂力学分析、疲劳分析、动力分析、热分析、 磁场分析、流场分析等工程服务及科学研究。a n s y s 软件每一个程序 的发布都经过严格的测试，具有极大的可信度。在各种有限元件中，算 法都已基本成熟，而a n s y s 前后处理器却独领风裂刎【2 1 】。 2 3 梁单元b e a m 4 建模技术 利用a n s y s 可以对井架进行静力计算、动力计算、稳定性计算、 模态分析、几何非线性分析等方面的研究。对于钻机井架的有限元计 算，建立合理的计算模型、选择正确的单元及计算理论，是获得可信计 算结果的技术关键。从总体的计算方法考虑，钻机井架可以按实体建模 计算，也可以按线性单元模型计算。根据钻机井架的结构特性，本文将 井架考虑成为空间刚架计算模型。 2 3 1 单元类型选择 在利用a n s y s 软件进行有限元计算分析中，确定分析类型、选择 单元类型是非常重要的。目前，对于刚架结构普遍采用线性单元分析类 型。在有限元分析软件a n s y s 的单元类型库中，包含了多种线性单元 类型，每种单元类型代表着针对性极强的计算理论。根据井架结构特 性，确定选用线性单元分析类型。考虑到井架各杆件既承受轴向力又承 受弯矩，所以选用三维弹性梁单元b e a m 4 作为分析对象。 2 3 2 梁单元b e a m 4 理论基础 b e a m 4 单元是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 这种单元在每个节点上有六个自由度：工、y 、z 三个方向的线位移和绕 工、y 、z 三个轴的角位移。可用于计算应力硬化及大变形的问题。通过 一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形( 有限旋转) 的分析。梁 单元b e a m 4 自由度分布如图1 1 所示。 i 图2 1b e a m 4 自由度分布 ( 1 ) b e a m 4 单元坐标系的刚度矩阵【1 8 】 o00 0弓 。划 lo 0 oo 0 式中：彳一横截面面积 哥一弹性模量 一单元长度 c r - - 剪切模量 t 0 0 0 0 0 00 z 0 1 0 嘎 0 哆 00 0 5 t 0 ( 2 1 7 ) 蝴 倒 乞o 弓o o 创o o o 哆o 弓o 0 岛o o o 乞o 工 化 胱o o o o o 刎 乞 弓o l 驯o o 咤o o o 乞 o o o 0 o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 卜惯协侄象习 入扭转惯性矩 j 卜极惯性矩鹕 a z = 4 ( ，吟) ；哆= 口( ，谚) ；吃= 6 ( t ，哆) 正= 厂( l ，哆) ；= 厂( ，绣) 口( ，妒) 2 丽1 2 e li ；c ( ，妒) 2 而6 e 砀 印卅= 端洲聊) = 端 哆2 器；吃= 器 j 卜f 方向的转动惯量 4 一第价方向上的标准剪切面积彳巧5 f 一剪切粘度 在单元坐标系下质量矩阵如式( 2 1 8 ) 。 【必j = m 1 3 0 4 0 0 4 0 0 0 正3 a黼 0 0-c,0弓 0 e 0 0 0 臣 1 6000001 3 0 垦0 00 2 0 4 0 0弓0- o , 0 00 4 000 j 。i 醴0 0000 j 。1 3 a 00 q 0 弓0 0 0-c,0弓 0 哆0 0 0 只0e 00 0 置 1 1 ( 2 1 8 ) 中国石油大学( e p 东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 式中 m t = ( p 4 + m ) 三( 1 一矿) p 一密度 日r 一单位长度的质量 矿一预应变 4 = 4 ( ，吟) ；4 = 爿( ，纪) ；芝= 口( 乞，力) e = f 化，哆) ；0 = f ( ，纯) 。1 ：噩1 3 ：五71 ：至1 1 ：三6 竺1 2 “卅= 韭鼍铲 m 一杀+ 争拦( 小) 烈卅= 卫音坚 卅：i i + i i 鼍+ i - - 掣 d ( ，妒) = ( 1 + 妒) 2 聊，：篷生等型唑 啪，：盛生蔫盐垃 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 哆= 序= 回转粉c = 压秣半径 ( 2 ) 局部坐标与整体坐标转换1 8 】 单元局部坐标系与整体坐标系转换关系为： u e 】= 限伽】 ( 2 1 9 ) 式中， 心) - 一单元局部坐标系中位移向量 “) _ 一整体坐标系中位移向量 陬】- r0 0t o0 o0 oo oo ro or 【t 】定义如下： lc l g与c 2 【r 】- l ( 一c l 岛马- s g ) ( 一墨是岛+ c i c 3 ) 【( 一q 是c 3 一s i s 3 ) ( 一s l s 2 g c 1 岛) 墨- 弩譬是：孕坶泖， 【0 0 冯 d c - - 学譬g ：等睁删 i 1 0 甄 d 一 ( 2 2 0 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 目一整体坐标与局部坐标的相位角； 如果给出第三个节点，则不需要使用0 。 k 】= ：原点到节点l 的向量 k 】= 原点到节点2 的向量 巧) = 原点到节点3 的向量 v 4 】= 与总体坐标z 轴平行的单位向量。 k ) = 巧卜 巧】_ = 节点i 与k 之间的向量 圪】= 圪】一 k 】= 沿局部坐标系中x 轴的向量 巧) = 圪) ) 蚝】= 圪) k 】 g = 蹦 邑= 蹴 在整体坐标系下单元刚度矩阵变为： 【k 】_ 陬】1 【e 】【】 犯j = 陬】1 【托】【五】 【芝】- 【瓦】2 【疋】【瓦】 c ) = 【瓦】1 c ) ( 【芝】被定义为大变形) 。 ( 3 ) 应力计算l s 】 第i 端的截面应力： 1 4 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 矽= 鲁 其中： 仃，一截面应力 巴一横向力 弯曲应力： ( 2 2 6 ) 蟛= 等 协z ， 疗= 等 协z s ， d 警一第f 端梁的枷0 单元b 方向上的弯曲应力； d 磐一第f 端梁- ) 倒单元b 方向上的弯曲应力； m - - 茸抄轴单元上的转矩； 乞f 端z 轴单元上的转矩； 乞一单元z 方向上梁的厚度： f 。一单元y 方向上梁的厚度； 最大、最小应力分别为： 矿= + 旧| + | 略i ( 2 2 9 ) 矿= 矿一弦i - | 蚶i ( 2 3 0 ) 假设横截面是矩形，故横截面的最大与最小应力出现在边缘上。如 果横截面是其它形状的，例如椭圆形，则必须用其它合适的表达式替换 公式( 2 2 9 ) 和( 2 3 0 ) 。 对于长的单元，受非集中载荷( 例如加速度和压力) ，则极值应力 不出现在两端而出现在中间的地方。 中国石油大学( 华东) 硕士论文。第2 章钻机井架计算原理及建模理论 2 3 3 梁单元b e a m 4 坐标系及参数定义 一个梁单元通过两个或三个节点( i ，j ，k ) 定义单元，i 为单元起 始节点，j 为单元终了节点，k 为单元的参考点。梁单元b e a m 4 坐标系 统的解释参见图2 2 。 图2 - 2 梁单元坐标原理图 定义单元时，必须遵循b e a m 4 坐标系统准则。如果不定义k 节点， 表示单元坐标轴y 与空间坐标系y 坐标轴方向相同。在定义k 节点时应注 意，参考节点k 不能与i 、j 两节点共线。 在单元局部坐标系下，i 节点到j 节点为单元局部坐标系的x 轴，z 轴 在节点i 、j 和k 构成的平面上且与x 轴垂直，应用右手定则( 拇指指向 x ，食指指向y ，中指指向z ) 可以得碧吵轴。 在局部坐标下，将梁单元轴向方向始终定义为j 轴，这一规则有助 于定义和计算i z z ( 对z 轴惯性矩) 与n 吖( 对y 轴惯性矩) 。 梁单元是线性单元的一种，在利用梁单元进行问题分析中，截面的 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 惯性矩是重要的参数，截面的惯性矩是通过a n s y s 内部的实常数方式 给出。对于空间刚架来说，各杆件垂直杆件轴向( 杆长方向) 的截面有 两个方向的惯性矩，两个惯性矩与整体坐标系不存在一一对应关系，这 是定义梁单元时的关键技术问题之一。 在梁单元分析模型中，需要输入的实常数包括截面面积 ( a r e a ) 、z 轴的惯性矩( i z z ) 、j ，轴的惯性矩( i y y ) 、z 方向梁的 厚度( t k z ) 、y 方向梁的厚度( t k y ) 以及梁的线质量 ( a d d m a s ) 。 惯性矩可以根据不同截面形状的材料计算获得。在石油井架结构 中，常用的截面形状有：空心矩形型钢、h 形型钢、工字钢、槽钢、角 钢、圆管等，惯性矩的计算查阅材料力学中相应的计算公式，对于标准 型材，可以直接查阅机械手册。 2 4 井架模型的建立及有限元分析 2 4 1 井架仿真计算几何模型准备 对于井架的有限元分析，首先必须有完整的钻机井架工程图纸。从 工程图纸中提取井架建模所需参数，具体参数如下： 节点：钻机井架各杆件的连接点在a n s y s 中体现为节点，在工 程图纸中找到每个节点( 有时需要简化处理，如两节点相距不足1 5 0 r a m 时可简化为一个节点，以免发生应力突变，与实际应力不符的情况) ， 对其编号，并查找相应位置关系。 单元：利用a u t o c a d 和节点相对位置参数，将各个节点连接的 单元输入到a u t o c a d 中，把井架结构模型整理成线性图，然后对各个单 元进行编号。同时可以在a u t o c a d 中确定各节点坐标。 实常数：钻机井架是用各种不同型号的杆件组成的，各杆件所 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 对应的实常数也是不同的。归纳钻机井架所包含的杆件种类数及其截面 尺寸，计算出各种杆件的实常数。 材料：从图纸中还可以得到杆件的材料参数，查机械手册可得 该材料的屈服应力极限点，屈服应力极限4 用于计算井架承载的最小安 全系数，判断井架是否满足材料静强度要求。 2 4 2 建立节点和定义单元 在建立单元之前，应该选取适合分析目标的单元类型。在第2 3 节 中已经指出，对于钻机井架这样的空间刚架结构，应选用三维弹性梁单 元b e a m 4 ，该单元可以满足模型的仿真计算要求。 建立井架有限元模型，利用a n s y s 内部功能创建关键点或节点， 根据工程图纸所给的参数，利用节点可以直接创建成单元。我们在进行 刚架有限元仿真时，根据模型几何坐标创建成节点，通过节点直接连接 成线性单元。 2 4 3 计算的边界条件 计算的边界条件有位移边界条件和载荷边界条件两种。边界条件确 定的正确与否直接影响计算结果，边界条件正确选定，是有限元仿真中 的重要技术之一，需要有扎实的力学理论基础，应慎重考虑。 井架位移边界条件 四根大腿支脚处固定铰支点。对于有绷绳的钻修钻机井架，绷绳锚 点处为固支，同时对绷绳预紧力进行了预应变处理。 井架载荷边界条件 井架所受的力主要来源于大钩载荷，即此次计算的最大静载荷。另 外，井架还要受风载、井架自身重量等载荷的作用。最大静载荷施加在 井架的顶端，风载施加在井架的受风侧面，自身重量加在井架各节点 上。本文中无风载计算。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 施加完边界条件，通过a n s y s 求解模块( s o l u t i o n ) 中有关 b e a m 4 单元的计算模块计算求解，可以求出井架各杆件的节点解和单 元解【1 羽。 2 4 4 结果后处理 井架有限元仿真的目的是获取有价值的结果，以便对井架的承载能 力进行评价分析。a n s y s 在后处理中，可以输出整体坐标下节点力， 包括勘y ，z 三个方向的力和弯矩( f x 、f y 、f z 、m x 、m y 、m z ) 和整体坐标下节点位移，包括x ，y ，z - - 个方向位移( u x 、u y 、u z 、 r o t x 、r o t y 、r o t z ) 。 三维弹性梁b e a m 4 单元杆件应力输出，是以线单元的两个节点为 目标的。完整的单元一个节点应力输出包括：( 轴向应力：s d i r ) 、( + j ， 弯曲应力：s b y t ) 、( 一，弯曲应力：s b y b ) 、( + z 弯曲应力：s b z t ) 、( - z 弯曲应力：s b z b ) ，输出应力示意图见图2 3 。另外，三维弹性梁 b e a m 4 可以输出单元杆件两个节点( i ，j ) 的重要应力参量：s m a x ( 最大应力) 和s m i n ( 最小应力) ，最大应力由轴向应力加弯曲应力 获得，最小应力由轴向应力减弯曲应力获得。最大应力和最小应力是评 价井架承载能力的重要指标。 f l g u r e4 a - z 3 - db f 哪i8 1 r e uo u t p u t 图2 - 3 - - - 维弹性梁b e a m 4 应力输出 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 2 4 5 参数化设计语言a p d l a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 是一门可用来自动完成有限元常 规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。该语言用 建立职能化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程，即程序的 输入可设定为根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定，是 完成优化设计和自适应网格的最主要的基础【1 9 1 。 a n s y s 软件提供了两种工作模式，即人机交互方式( g u i 方式) 和 命令流输入方式( b a t c h 方式) 。后者相对于前者具有如下几个优 点： 可以减少大量的重复工作，特别适用于经少许修改后需要重复 的工作。 便于保存和携带，一个a p d l 的文件要比g u i 的数据文件小很 多。 进行优化设计和自适应网格分析时，必须使用a p d l 文件系统。 a p d l 的a s c i i 文件可以用记事本打开并编辑。在已知井架模型的 情况下，根据含缺陷井架的特点，修改无缺陷井架模型的部分参数，使 其变为含缺陷的井架模型。利用a p d l 研究含各种缺陷的井架承载能力 具有简单、快捷、参数化等优点，可以减少工作量，提高工作效率，对 本课题的研究具有实际意义。 2 5 本章小结 本章是全文的基础部分，介绍了论文中所需的理论知识以及技术 重点。本章的主要内容有： 介绍了钻机井架的计算原理，给出了井架承载能力计算强度规 定，并简单介绍了井架计算原理有限元法； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻机井架计算原理及建模理论 介绍了有限元分析软件a n s y s 及其应用领域； 指出在a n s y s 有限元计算时，选用线性三维梁单元b e a m 4 作为 井架建模单元，并给出了b e a m 4 单元的理论基础和建模中的关键技 术； 简单介绍了井架建模过程和承载能力计算过程中的技术关键， 并介绍了a n s y s 所特有的参数化设计语言a p d l 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章钻机井架承载能力有限元仿真 第3 章钻机井架承载能力有限元仿真 3 1 钻机井架计算内容及参数介绍 根据第2 章所述的井架建模技术基础，以z j 4 0 钻机井架为例，建立 含各种缺陷以及无缺陷的井架模型，计算并求解，对各个单元应力计算 结果进行对比分析。计算在无风载、无立根、最大静载荷的工况下进 行。 钻机井架的有限元仿真需要井架的几何参数和载荷参数。z j 4 0 钻机 主要技术参数如下： 最大静载荷；q 一= 2 2 5 0 k n ：最大钻柱：q 锰= 1 3 0 0k n ；恒载：井 架自重：4 3 5 k n ；天车重量：7 2 8 8 k n ；二层台自重：3 3 6 斟；游车重 量：3 8 0 5 k n ；大钩重量：2 1 8 0 k n 、水龙头重量：2 2 4 0 k n ：转盘重 量：5 1 8 2 k n ；转盘电机和变速箱载荷：5 5 k n 。 井架工作高度：4 2 5 m ；井架高度：大腿销孔中心至天车梁下平面 垂直高度：4 8 7 6 m 。 游动系统结构：5 x 6 游车轮数x 天车轮数；钢绳花穿；钢丝绳直 径：d 绳= 3 2 5 m m ； 二层台高度：2 6 5 m 、2 5 5 m ：二层台容量：5 ”钻杆，立根2 8 m ， 共4 0 0 0 m ； 3 2 无缺陷井架承载能力的仿真 井架的仿真计算模型，可简化为空间刚架计算模型。井架展开的单 元节点示意图如图3 1 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章钻机井架承载能力有限元仿真 井架有限元模型共1 8 2 个节点，其中两个固定铰支点( 井架支脚 处) ，划分3 1 5 个梁单元。 图3 17 - j 4 0 ：) ：架单元节点图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章钻机井架承载能力有限元仿真 3 2 1 建立计算模型 根据第2 4 节建5 z z j 4 0 钻机井架的计算模型。 ( 1 ) 建立节点：利用工程图，选择井架各杆件连接点的坐标，直接 通过有限元分析软件a n s y s 的前处理建立节点； ( 2 ) 建立单元：选用梁单元b e a m 4 作为单元类型，通过已建立的节 点直接连线，生成线性单元： ( 3 ) 设置材料属性：弹性模量为2 1 e 1 1n m 2 ，钢件密度为 7 8 0 0 k g m 3 ，泊松比为0 3 ： ( 4 ) 设置单元实常数：单元实常数查机械手册或根据材料力学公式 手算求得。 3 2 2 确定约束及载荷 ( 1 ) 施加约束 约束作为有限元解的边界条件，在a n s y s 有限元分析软件中，是 作为位移载荷来处理的。对于支撑点，包括三个位移约束和三个转动约 束，分别为：u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、r o t z 。 z j 4 0 井架模型中1 、2 节点与底座连接，2 1 和2 2 节点与人字架连接， 连接类型为铰接，所以对这四个节点施加除了x 轴转动约束( r o t x ) 以外的其它约束。 ( 2 ) 施加载荷 井架承受的载荷分为：集中载荷：f x 、f y 、f z 、m x 、m y 、 m z ：重力载荷：z 向加重力加速度9 8 ；横梁各节点可能有均布载荷。 z j 4 0 井架在无风载、无立根、最大静载荷的工况下，需要施加的载 荷如下： 井架自重：4 3 5 k n ： 天车重量：g 天车= 7 2 8 8k n ； 2 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章钻机井架承载能力有限元仿真 二层台自重：g - 台= 3 3 6k n ； 游动系统重量： g 静2 + g 静车+ g 簋- 2 1 8 0 + 3 8 0 5 + 0 0 3 9 1 4 0 x1 2 = 7 8 6 2 k n 取g 辩= g 翦+ g 辨车+ g 绳= 8 0 k n ； 最大静载荷( 最大钩载) q 一= 2 2 5 0 k n ： 工作绳拉力 驴掣= t 2 ( 1 3 0 0 + 8 0 ) - 2 7 6 k n 一：墨垒亟! ：2 x ( 2 2 5 0 + 8 0 ) ：4 6 6 z 1 0 将井架自重平均分配到上井架各节点；游动系统重量、天车重、最 大静载荷和工作绳拉力平均分配到井架顶端天车梁受力的4 个节点上； 将二层台自重平均分配到二层台各个节点上。 3 2 3 计算结果 在建立完z 1 4 0 井架模型及确定了约束方式和施加的载荷之后，利用 有限元分析软件a n s y s 对井架模型进行计算求解，在计算结果中提取 前2 0 个较大应力的单元杆件如表3 1 。井架变形图如图3 2 所示，应力图 如图3 3 所示。 7 _ 2 4 0 井架在无风载、无立根、最大静载荷的工况下，最大应力发生 在井架一段后大腿，与人字架铰接点上方的3 9 、4 0 单元，最大应力值为 2 1 3 m p a ，材料为1 6 m n ，屈服极限值为正= 3 4 5 m p a ，井架在最大载荷 下的安全系数为1 6 2 ，满足井架静强度要求，井架工作安全可靠。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章钻机井架承载能力有限元仿真 图3 - 2 无缺陷井架变形图 图3 - 3 无缺陷井架应力图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章钻机井架承载能力有限元仿真 表3 1 无弯曲单元井架的前2 0 个较大应力杆件( 单位m p a ) 篮 i 节点i 节点j 节点j 节点最大 一 兀最大最小最大最小绝对值 号应力应力应力应力应力