（机械工程专业论文）jj22543k石油钻机井架强度及稳定性计算.pdf

摘要 论文题日： j 2 2 5 4 3 ，t ( 石油钻机井架强度及稳定性计算 研究生( 签名) ：簋塞羹 剔签釉：挝 摘要 趔 并架是石、浦钻机的重要组成部分，主要承受起下钻、h 套管及其它作业产生的载 荷l 】1 。随着我厂钻机类型的不断扩充利生产规模的不断扩大，钻机井架的分析计算越 来越成为我厂的一项重要的设计任务。传统的计算井架的方法相当繁琐，并且计算时 间长，计算误差大。为找到一种快速准确的井架计算方法，我厂引进了分析计筇软件 紫瑞c a e 软件。 有限元分析t 要过程是：存m d t 30 中将井架简化为接近实际结构的二维空间桁 架力学模型；确定井架所承受的载荷和约束；对j j 2 2 5 4 3 一k 井架在起升 ：况、钻井l 况、无立根、无钩载、风载二r 况和满立根、无钩载、风载工况下进行有限儿静力 分析。 木论文通过紫瑞c a e 与m d t 30 的无缝集成，实现对j j 2 2 5 4 3 一k 井架的有限元 分析，从而利用分析结果实现对井架进行静强度及稳定性校核。 关键词：井架c a e 软4 t 有限元静力分析稳定性分析 论文类型：设计计算 a b s tr a c t t h em a s ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts t m c t u r e so f d r i l l i n g r i g o w i n gt oi t i sm a d eo f m a n yb e a m s ，a n ds t a n d sc o m p l e xf o r c e ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sa l li m p o r t a n ts t e pi n m a s t d e s i g n a l o n g w i t ht h e i n c r e a s i n g o fd r i l l i n g r i gt y p c s a n dt h e e x p a n s i o n o f p r o d u c t i o ns c a l ei no u rc o m p a n y ，a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nt om a s to fd r i l l i n gr i gi sm o r e a n dm o r eb e c o m i n ga ni m p o r t a n td e s i g nt a s k t r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fm a s ti s v e r yc o m p l e x ，a n da l w a y se x p e n d sal o n gt i m e ，a n dh a sab i ge l t o f z i r ic a e ak i n d o f c a l c u l a t i n gs o i q w a r ew a s i n t r d u c e di n t oo u r c o m p a n y t h et h e s i se x p a t i a t e so nan e wm e t h o da b o u tc a l c u l a t i n gm a s tt h em a i np r o c e s si s ： s e t t i n gu po fc a l c u l a t i n gm o d e li nm d t 3 q ：d i s c u s s i o na b o u tt h el o a d sa n dt h er e s t r i c t i o n o nt h em a s t ；f i n i t ee l e m e n ts t a t i c a n a l y s i si nz i r ic a e t oj j 2 2 5 4 3 一km a s ti nf o u rt y p i c a l s t a t e sw h i c hi sr a i s i n g ，d r i l l i n g ，n op i p es e t 咚c ka n dn oh o c kl o a da n dw i n dl o a d ，f u l l p i p e s e t b a c ka l l dn oh o c k1 0 a da 】l dw i n dl o a dr 3 1 t h i st h e s i ss e t su pc a l c u l a t i n gm o d e li nm d - i 、30a n dc a r ti r so u tf i n i t ee l e m e n ts t a t i c a n a l y s j st o3 j 2 2 5 4 3 一km a s t w i t ht i l er e s u l tt h a tc h e c k i n gt h es t a t i ci n t e n s i t ya n ds t a b i l i t y o f t h em a s tj sc o m p l e t e d k e yw o r d s ：m a s t ，c a es o f t w a r e f i n i t ee l e m e n t ，s t a t i ca n a l y s i s ，s t a b i l i t y a n a l y s i s 【t h e s i s t y p e1 ：d e s i g n c a l c u l a t i o n 兰州理工大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内石浊钻机井架计算的发展现状与水平 井架是石油钻机的重要部件之一，也是大型的钢结构件。基本类型有塔形井架、 k 形井架、a 形井架和桅形井架。井架的计算往往与井架计算的基本规定、井架承受 的载荷、分析计算方法、计算模型等紧密相关。井架计算的有限元分析软件多选用国 内知名的c a e ( 计算机辅助工程分析) 软件。 1 1 1 石油钻机井架设计计算的基本规定 目前，石油钻机井架设计计算的基本规定有：1 静强度规定：构件的计算应力不 得大于材料的设计强度：2 不稳定性规定：构件的稳定计算应力不得大于稳定计算的 设计强度；3 疲劳强度规定：计算应力幅度不得大于许用应力幅度；4 动力反应规 定：井架承受的载荷，大多数载荷为动载荷，但经验和工程实践表明，大多数情况下 动力载荷比较小，在设计计算中引用一个动力系数，对动力载荷进行补偿。更精确的 分析需要专f 1 的试验采集系统进行振动等分析；5 脆性断裂规定。 对井架要综合运用以上规定，才能获得合理、经济、安全的结构设计。静强度、 不稳定性计算是钻机井架设计最基本的计算。 1 1 2 石油钻机井架承受的载荷“1 井架、底座是钻机的主要承载结构，在钻井、运输、安装、拖运等过程中，承受 着各种不同的载荷，针对不同的钻机、井架，合理地确定和计算这些载荷，是井架、 底座设计计算中地一项很重要的工作。 非整托井架承受的载荷主要有：恒定载荷、工作载荷、自然载荷、安装载荷、动 力载荷。 1 1 3 石油钻机井架计算方法 井架的静力计算多采用有限元法。 井架的整体稳定性计算的基础是弹性稳定理论。工程实用的计算方法有两种：一 种是将格构式井架折算成实腹柱类构件进行稳定计算的理论折算法，现行钢结构设 计规范采用此方法；另一种是采用计算机技术进行井架结构整体有限元稳定计算。 采用有限元计算井架的整体稳定性，计算较麻烦，且计算工作量大，限制了井架设计 者的使用。 有限元法是一种获得工程问题近似解的数值方法。它是要把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，井架结构是由有限个梁、柱组合成的平面结构 和空间结构，因此把梁和柱当作有限单元是很自然的，把梁和柱单元的两端当作节点。 节点的位移就是端点的线位移和角位移。在有限元计算中，桁架和刚架的变形状态是 用端点的线位移和角位移表示的。 兰州理工大学工程硕士学位论文 对单元的内力( 内力和弯矩) 和弯矩，有限元法假定单元中的内力一律通过各个 节点传递，因此整个结构的内力状态，可以由节点上的力和弯矩表示。外力也假定通 过节点传到结构上，当结构的杆件作用由均布载荷和集中载荷，可将载荷转化为等效 节点力和等效节点弯矩。等效按x 、y 、z 方向进行。 有限元法经过三十多年的发展，尤其近十年来，随着计算机技术的飞速发展，已 成为工程力学问题数值分析的有效方法之一，是目前最有效的一种结构分析方法。【1 】 有限元法的基本步骤有： ( 1 ) 模型建立和结构离散化 ( 2 ) 单元位移函数和解答的收敛条件 有限元法从物理的角度设想用处于简单状态的许多足够小的一片一片的被连接 起来的一块去模拟真实结构物，这些。因此， ( 3 ) 单元分析 ( 4 ) 整体分析与边界条件处理 ( 5 ) 整体平衡方程求解 4 1 井架整体稳定计算的理论折算法，首先要建立井架体稳定计算模型。该计算模型 将井架这个特殊的格构式结构，根据其结构和受力特点，简化为一个保持格构式结构 的抗压刚度和抗弯刚度的具有相应折算长细比九的实腹受压柱来计算。因此，井架的 总体稳定性计算分两步：一是根据井架结构特点计算折算长细比凡；二是按实腹受压 稳定计算方法计算稳定性【1 】o 这种采用折算长度系数的方法，也称作实用计算法【5 】。 井架静力计算模型 钻井井架、修井井架等均属典型的由细长杆件组成的空间杆系结构 4 1 。以往的结 构分析往往手工计算，常常把井架按正面和侧面分别简化为平面桁架模型来计算，计 算量大，误差也大。在广泛使用计算机的今天，以及有限元分析软件的普遍应用，针 对不同井架的特点建立较为复杂的空间刚架模型。使井架计算，尤其静力计算更简便、 准确。根据有限元静力分析结果，完成井架静强度计算。 塔形井架是一空间四棱柱体，杆件长细比大，且连接多用螺栓，节点简化为铰节 点，因此塔形井架整个结构可简化为空间桁架静力计算模型。 前开口井架由于前扇敞开，结构为分段焊接、成对双锥销连接结构，节点均简化 为刚性节点，整个结构简化为空间刚架模型。 a 形井架两条大腿为封闭的空间结构，可简化为空间桁架模型 桅形井架的结构与前开口井架相似，不同处是正常工作时井架向钻台方向前倾一 个角度，必须有绷绳支承。可简化为具有弹性支杆支座的空间桁架模型。 各类井架的总体稳定性计算因其模型不同，使用的计算公式亦不同。塔形井架和 a 形井架的稳定性计算的两端简支受压柱模型公式计算；前开口形井架、桅形井架的 的压弯柱模型公式计算。 前开口井架整体稳定计算模型 手工计算时，前开口井架的正面和侧面的几何性质不一样，应分别进行整体稳定 计算。前开口井架横截面缩小，天车梁位置向开口侧偏移，因而大钩载荷偏心作用在 井架顶部。所以，前开口井架的整体稳定计算模型可简化为一端作用一弯矩的压弯柱 模型，分别计算其正面和侧面的稳定性。对k 形井架，正面两条前腿的稳定性满足 兰州理工大学工程硕士学位论文 要求，可不进行侧面稳定性核算。 1 1 4 计算工况对计算模型的影响【1 】 井架的静力计算模型受计算工况影响不大，在不同工况下，其载荷组合不同，只 需将载荷加到模型中相应位置即可。但对井架整体稳定计算模型有影响，主要影响是 井架承受的横向载荷造成的。考虑风载荷工况，采用稳定计算模型：考虑立根水平靠 力工况，采用的计算模型。其均布风载可按井架整个高度上的风载荷平均计算。这两 种井架整体稳定计算模型是基于结构弹性稳定理论提出的。 采用有限元法计算井架整体稳定性的计算模型可用空间刚架模型，按实际图样即 可得到井架的三维模型。 1 1 5 国内有限元分析软件应用概况 c a e 主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起 来的一个软件行业，目前在国内有限元法应用最为广泛【6 1 。 当前，国内诸多行业普遍使用的是a n s y s 有限元分析软件，从有关网站、书刊、 杂志上都能看到其相关的资料、文章。西安、大庆石油学院等使用a n s y s 有限元分 析软件对井架、底座进行静力分析及动态分析，取得了较好的效果。 目前国内比较著名的有限元软件还有大连理工大学的j i f e x 系列软件、郑州机械 研究所的紫瑞系列软件及其它科研机构的一些自主版权的有限元软件等。这些软件均 具有强大的功能，在国内机械、车辆、航空、航天、土木、石化、船舶、能源等行业 有所应用。 1 2 本文的研究目的及意义 井架是石油钻机的最重要组成部分之一，是钻井设备钢结构件中制造难度最大、 设计要求最高的设备。由于井架设计最初多采用的是比较设计的方法，在选择各构件 型材时，非常保守，力求井架安全系数足够大，从而导致井架重量增加及局部结构不 合理。 因此，在井架设计时，为了保证其具有足够的承载能力，在充分考虑井架的类型、 基本参数、载荷、材料及杆件截面型式的情况下，进行井架的静力计算及稳定性核算 ( 即稳定计算) 非常重要。 井架是由细长杆件组成的一种空间杆件结构，可按规定的载荷组合进行拉压构件 强度计算和压杆稳定计算，以校核杆件的强度和稳定性：同时，在各杆件满足强度和 稳定性的情况下，整个井架在其轴向载荷达到某一数值时，还会出现总体失稳，因此 必须校核井架的总体稳定性。本论文旨在对j j 2 2 5 4 3 k 形井架进行建模、工况分析及 加载、静强度计算及稳定性核算，并用计算结果与该井架型式试验结果进行比较，以 指导该井架的局部结构改进设计。使井架结构设计更趋于合理。 对k 形井架的快速建模及准确的计算分析，将有助于加快我厂石油钻机井架产 品的开发速度，同时使井架设计的安全性、合理性得以保证。从而也使我厂石油钻机 井架的开发能力得以提高。 兰州理工大学工程硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作 本文拟从以下几方面来对j j 2 2 5 4 3 一k 井架进行有限元静力分析和稳定性分析： 第二章给出j j 2 2 5 4 3 一k 井架总体参数与设计输入的标准规范。第三章详细介绍如 何建立该井架有限元分析计算模型，包括三维c a d 造型，确定各载荷和约束等初始 条件。第四章通过对模型施加载荷、施加约束、网格刨分、分析计算，对井架在起升 工况、钻井工况、无立根、无钩载工况、满立根、无钩载工况下进行有限元静力分析， 通过有限元分析的后处理图像或数据列表，对井架进行静强度校核，验证设计是否满 足静强度要求。第五章根据有限元分析的输出结果，对井架整体稳定性进行校核。第 六章给出结论，提出我厂井架设计下一步的工作。 本论文的主要工作任务是：a ) 收集整理相关资料、计算数据、分析图表等。b ) 通过该井架静力分析结果与井架型式试验结果进行比较，做到理论与实践的统一。c ) 撰写论文，包括初稿及计算机录入。 1 4 课题的来源及背景 自2 0 0 2 年开始，国内及国际石油钻井市场活跃，石油钻机更新的步伐明显加快。 在增加石油钻机数量的同时，对钻机的功能、技术水平和适应性提出了更高要求。能 适应市场的钻机新产品日益受到用户的青睐。 我厂自1 9 9 8 年开始石油钻机的生产制造，先后有z j 2 0 、z 1 3 0 、z j 4 0 、z j 5 0 型系 列机械、电动钻机产品投放中原油田及陕北钻井市场，经努力现已具备稳定批量生产 的能力；而井架是石油钻机的重要部件之一，用于安放天车，悬挂游车、大钩、吊环、 大钳、吊卡等，以及起下、存放钻杆等。 我厂近年来生产的钻机井架主要有a 形井架和k 形井架，其中又以k 形井架为 主，主要有j j 2 2 5 4 3 一k 井架、j j 2 5 0 4 5 k 井架、j j 3 1 5 4 4 8 一k 井架、j j 3 1 5 4 5 - k 井架 等，因此，很有必要对k 形井架进行建模计算。 为了找到一种快速准确的井架计算方法，我厂引进了分析计算软件c a e 高级版 v 1 0 。紫瑞c a e 系列软件是由国家科技部“九五”科技攻关项目机械c a e 产业化 开发项目中推出的具有自主版权的通用工程计算分析软件。该系列软件产品由机械 研究院郑州机械研究所、中科院计算数学与工程计算研究所共同开发研究，其性能完 全可与同类国外软件相媲美，在某些领域甚至超过了国外同类软件。 紫瑞c a e 高级版v 1 0 是与上游c a d 软件集成的自动化有限元结构分析与评价 软件，它具有杆、梁、板、三维实体多种单元类型元件，能分析各种线性问题。它可 以用在分析建筑、桥梁、机械等众多领域，是我国目前实用性最为强大最为先进的 c a e 软件系统，在国际上也处于领先水平。 紫瑞c a e 已获得河南省信息产业厅颁发的“软件产品登记证书”，并通过了国家 科技部高新司全国c a d 应用工程协调指导小组组织的验收。 选择m e c h a n i c a ld e s k t o p3 0 作为上游c a d 三维造型软件，建立该井架计算模型， 通过加载c a e 高级版v 1 0 ，使两者无缝集成，对j j 2 2 5 4 3 k 井架进行有限元静力分 析，并将软件分析数据进行处理，完成该井架的静强度及稳定性核算。 4 兰州理工大学工程硕士学位论文 第二章井架总体参数与设计输入标准规范 2 1 井架总体参数 最大静钩载k n ( t f ) ：2 2 5 0 ( 2 2 5 ) 井架结构： q 3 4 5 b h 型钢主大腿片架，k 型结构 井架工作高度r 1 ：4 3 井架顶部跨距( 正面x 侧面) m x l t i ：2 0 x 2 0 井架底部跨距m ：7 5 二层台容量( 5 ”钻杆) m ：4 0 0 0 二层台安装高度m ：2 6 5 ；2 5 5 ；2 4 5 人字架高度m ：9 井架抗风能力： 非工作状态( 无钩载、无立根、停钻) m s ( k n o t s ) ：4 7 ( 9 3 ) 非工作状态( 无钩载满立根) m s ( k n o t s ) ：3 6 ( 7 0 ) 起放井架m s ( k n o t s ) ： 8 3 ( 1 6 ) 理论重量蝇：井架主体4 5 0 7 0 ；总重6 2 2 1 5 注意：加速度、冲击、立根或风速将降低最大钩载。【2 】 2 2 设计输入标准规范 设计制造符合a p is p e c4 f 钻井和修井井架、底座规范( 1 9 9 5 年第二版) a p is p e c i f i c a t l 0 n4 f s p e c i f i c a t i o nf o rd r i l l i n ga n dw e l l s e r v i c i n g s t r u c t u r e s ) ) ( s e c o n de d i t i o n ，j u n e ，1 9 9 5 ) 结构设计计算符合美国钢结构协会a i s c 规范a i s c 建筑用结构钢设计、制造与 安装规范( 1 9 8 0 年第八版) 设计、焊接符合美国焊接学会a n s i a w sd 1 1 - 9 4 钢结构焊接规范 s y t5 6 0 9 1 9 9 9 石油钻机型式与基本参数 s y 厂r 5 0 2 5 1 9 9 9 钻井和修井井架、底座规范 s y ，r5 1 7 0 1 9 9 8 石油天然气工业用钢丝绳规范 s y 圩6 4 0 8 1 9 9 9 钻井和修井井架、底座的维护与使用 s y 5 3 0 5 8 7 石油钴采机械产品用焊接件通用技术条件 j b t6 0 6 1 9 1 焊缝磁粉检验方法和缺陷磁良分级 g b 9 8 5 手孤焊接头基本型式和尺寸 g b 9 8 6 埋弧焊接头基本型式和尺寸 兰州理工大学工程硕士学位论文 第三章井架静力计算模型的建立 3 1 井架静力计算模型概述”1 建立井架静力计算模型，首先要对结构中的节点、杆件及支座进行简化。 ( 1 ) 节点的简化 井架结构中杆件相交的节点简化为铰节点或刚节点两种类型。 铰节点的力学特征是铰节点光滑无摩擦，节点处不限制连接杆端的转角或不能 承受力矩，只能承受集中应力。铰节点是一种理想模型，在实际结构中不可能制造 出这样的节点。尽管井架中的节点多数为焊接和螺栓连接，但当杆件的长细比较大， 杆中的内力以轴力为主时，仍可将其简化为铰节点， 刚节点的力学特征是相交于节点的各杆之间的相对夹角在外载荷作用下不会发 生变化。刚节点不仅可以承受集中力，也可以承受力矩。多数井架结构的焊接节点， 特别是不满足桁架几何组成条件的前开口形井架，其节点可简化为刚节点。 节点完全允许转动和完全不转动都是不符合实际及情况的，一些理论计算和试 验证明井架结构中的节点力学性质，介于铰节点与刚节点之间。一些类型的井架结 构的节点可能比较接近铰节点，另一种类型的井架的节点则可能比较接近刚节点。 ( 2 ) 杆件的简化 杆件的简化与节点的简化直接相关，杆件两端均简化为铰节点，则此杆就是一 轴心受力杆( 柱) ：若其中一节点存在偏心或杆中受有外载荷则可按压弯柱处理。杆 件两端若为刚节点，此杆就为梁。 ( 3 ) 支座的简化 井架通过支座支承在底座之上，井架上的载荷通过支座传递到底座，在井架结 构中可分为固定铰支座、活动铰支座、固定支座和弹性支座。 固定铰支座是整个支座不能移动，但其上部结构可绕一固定轴线或铰自由转动， 其反力必须通过支座铰点，但反力的方向和大小未定。井架的大多数支座均属于固 定铰支座。 活动铰支座的特点是上部结构可以绕铰点自由转动。而且又可在一个方向方向 自由移动。以井架支座的实际构造上分析，不存在这种类型的支座。但从整个结构 的受力变形的情况看，尽管某一平面内的两铰支座的实际结构均为固定铰支座，但 考虑到底座支承结构的允许的变形，仍将两支座按一固定铰支，另一为活动铰支座 处理。 6 兰州理工大学工程硕士学位论文 固定支座在井架支承中很少用，若将井架结构支脚用螺栓固定在底座上，使其 结构不能产生相对转动和移动，可简化为固定支座。 前开口井架和a 形井架多采用人字架起升，人字架可看作为井架主体的辅助结 构，由于井架主体结构刚度很大，分析主体结构时辅助结构可简化为弹性支座。弹 性支座的特点是支座反力与其位移成正比。 前开口井架的静力计算模型：前开口井架由于前扇敞开，井架大腿支座、人字 架支承处为固定铰支点，其余均为刚性结点，整个井架主体可简化为空间刚架模型。 3 2j j 2 2 5 4 3 - k 井架的三维c a d 建模 3 2 1j j 2 2 5 4 3 - k 井架的三维模型的建立 在对井架进行有限元分析之前，首先应对井架的形状、尺寸、工况条件等进行 详细的分析，只有正确掌握了分析结构的具体特征，才能建立合理的几何模型。几 何模型是从结构实际形状中抽象出来的，并不是完全照搬结构的实际形状、而是需 要根据结构的具体特征对结构进行必要的简化、变化和处理，以适应有限元分析的 特点【7 1 。 j j 2 2 5 ，4 3 k 井架是典型的前开口井架，从下到上主要由i 、i i 、i i i 、段组成， 两条大腿分别是空间片架结构。整个并架低位安装，利用绞车的动力，通过入字架 等起升装置，将井架及与其连接的底座顶层及中层整体一次起升到垂直工作位置。 在m e c h a n i c a l d e s k - t o p3 0 三维造型软件中，憋j j 2 2 5 1 4 3 - k 井架主体简化为接近 实际结构的线框式空间几何模型；结合紫瑞c a e 高级版v 1 0 软件，将该模型进行 剖分并求解。在模型简化简化时将天车、二层台、人字架等附件全部忽略，天车、 二层台质量视为集中质量分配到相应的结点位置：井架各杆件均承受轴向力及附加 弯矩，各结点均位焊接的刚性结点，因此将井架主体简化为空间刚架模型，并采用 空间梁单元为基本单元；简化后井架各部分之间视为刚性连接。 在m d t 3 0 中，将井架简化为空间刚架计算模型，步骤如下： 1 ) 定义一固定层b e a m 层。 2 ) 在b e a m 层建井架模型，见图3 1 ，用不同颜色( 颜色号) 的线条定义不同 材料的粱单元。 兰州理工大学工程硕士学位论文 图3 - 1j j 2 2 5 4 3 一k 井架的三维c a d 造型 3 2 2 井架材料的参数 1 ) 计算各种材料的抗扭惯性矩i 妯+ i y o 、s 轴抗弯惯性矩i x o 、t 轴抗弯惯性矩i 加 横截面积s ，列表见表3 - 1 。 表3 - 1j j 2 2 5 4 3 - k 井架材料参数表 颜色i 。0 + i v 0k i y 0 s ( c m 2 )型材规格材质 ( 曲一)( c m 4 ) 县 ( c n l 4 ) 双1 0 0 x8 0 8 6 q 2 3 5 b 4 3 3 0 42 7 5 8 81 5 7 1 62 7 8 8 双1 0 0 x 1 0 0 x 】0 4 q 2 3 5 b 6 1 8 。8 44 7 0 1 41 4 8 73 8 5 2 2 双么9 0 5 6 6 2 q 2 3 5 1 3 1 8 4 91 4 2 0 64 2 8 4 1 7 1 1 4 工4 5 0 x 1 5 0 x 1 1 5 x 1 8 6 1 q 2 3 5 b 3 3 0 5 53 2 2 0 08 5 51 0 2 4 5 工3 0 0 1 2 6 9 1 4 4 5 4 q 2 3 5 b 9 3 5 0 8 9 5 04 0 06 1 2 2 一r 3 0 0 x 8 5 7 5 1 3 57 1 q 2 3 5 b 1 2 6 1 51 2 0 9 65 1 98 7 7 8 h 2 9 4 x 2 0 0 x g x l 27 q 3 4 5 b 1 3 0 0 01 1 4 0 01 6 0 0 7 3 0 3 h 3 0 0 3 0 0 1 0 1 4 3 2 q 3 4 5 b 2 5 1 7 0 1 8 8 6 8 6 3 0 2 3 1 1 1 2 h 3 0 0 2 5 0 1 0 1 4 1 q 3 4 5 b 1 9 6 5 11 6 0 0 33 6 4 8 19 7 2 h 3 9 0 3 0 0 1 0 1 6 5 q 3 4 5 b 4 4 6 1 73 7 4 1 47 2 0 31 3 1 8 h 6 4 0 x 3 0 0 x1 8 2 6 2 1 2 q 3 4 5 b 1 s 9 3 4 01 7 7 6 l o1 1 7 2 92 6 】8 4 h 6 4 0 2 0 0 1 8 2 6 2 5 4 q 3 4 5 b 1 3 2 0 7 01 2 8 5 7 03 4 9 5 22 0 9 8 4 双腹板h 3 0 0 4 3 5 1 0 1 4 1 3 0 q 3 4 5 b 1 5 4 2 1 01 4 8 1 96 0 1 92 3 0 6 4 方管3 0 0 x 2 0 0 x 1 4 x 1 6 1 1 3 q 3 4 5 b 3 2 8 7 11 7 4 1 01 5 4 6 11 3 9 0 4 钢管由1 6 8 x 8 32 02 5 8 01 2 9 01 2 9 04 0 2 1 2 8 兰州理工大学工程硕士学位论文 注：表中“q 3 4 5 b ”为c a e 软件中的“1 6 m n r ”。 2 ) 将以上数据输入m e c h a n i c a l 下的l i a n g d a m 文件中，作为静力分析过程中 选取粱参数时使用。 3 ) 材料为q 3 4 5 b ：屈服极限os = 3 4 5 m p a ；密度为7 8 5 1 0 3 k g m 3 ；弹性模量 e = 2 0 9 7 2 g p a ；泊松比为0 2 8 0 1 。 3 2 3 加载紫瑞o a e 在i v d t 3 0 主菜单的“结构分析”选项，“加载紫瑞c a e ”。使c a e 的各种命 令在m d t 3 0 界面下能顺利执行。定义梁单元时，必须使表3 1 中“型材规格”与 “颜色号”一致。 3 2 4 主要型材许用应力的确定陋钔 下面计算几种主要型材的许用应力。选取设计许用应力依据美国建筑用结构 钢设计、制造与安装规范( & i s c 规范) 按1 5 节、1 6 节要求选取。 考虑到杆件细长的特点，剪力和扭矩都比较小，产生的应力般不超过复合压 应力的l ，因此复合压应力可仅计算正应力。以下是拉伸、压缩、弯曲时的许用 应力。 1 ) 拉伸：f t = 0 6 f y 式中：f t 拉伸许用应力 f y 材料屈服应力，f y = as 材料为q 3 4 5 b 时，f t = 2 0 7 m p a 2 ) 压缩：轴心受压构件，当k l r c c 时 对两端铰支的的压杆，u = 1 0 。1 。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) f ：! 丝 ( 3 4 ) 1 4 2 斌f r y a ) h 型钢2 9 4 x 2 0 0 x 8 x 1 2 ：i x = 1 2 5 c m ，i y = 4 6 9 c m ，最长1 = 2 9 9 0 贝0 ：凡x = i i ，= 2 9 9 0 1 2 5 = 2 3 9 2 y = 1 i 。= 2 9 9 0 4 6 9 = 6 3 7 5 将有关数据代入式( 3 2 ) 、( 3 3 ) ，则：对x 轴 民；焉一；( 怒 3 = 1 7 5 墨= 渖器一甄矧3 乩s s 对y 轴 瓦： 1 _ 2 丁2 一c c ：2 墨： “ f h y 2 3 9 2 2 警婺盟3 4 5 m p a = 1 9 2 6 m p , 】 1 7 5 ：下 1 - 1 2 1 2 c c 2 峥事6 3 7 5 2 州，粉m 脚 b ) h 型钢3 0 0 2 5 0 1 0 1 4 ：i x = 1 2 8 3 c m ，i y 一6 1 3 c m ，最长1 = 2 9 9 0 则；九x = 1 i 。= 2 9 9 0 1 2 8 3 = 2 3 3 i o 兰丛堡三查竺三堡堡主堂垡堡茎 y 。i l y = z 甘9 u b l - j = 4 巧b 将有关数据代入式( 3 2 ) 、( 3 3 ) ，则：对x 轴 矗= 强嵩。1 _ ( 2 。3 肿3 卜，4，。j + i 。了而8 1 1 0 8 8 7 2 l 7 4 2 3 3 2 瓦= 学岭飞1 1 0 8 8 7 2 一2 3 4 5 坳a = 1 9 3 3 坳 对y 轴 e s y 3 8 嵩1 0 88 7 8 ( 矧1 0 88 73 一1 j 1 4 8 8 2 = 学卟警3 4 5 睁a = 1 7 9 2 坳 r ：三+ 三。堡一三f ! 堡1 。：1 8 2 ，s2 j + 虿。丁丽一虿l t 而j 2 疋：譬笋岭警4 7 6 2 以，坳枷坳 3 ) 弯曲：f b = o 6 6 f y ( 3 - 5 ) 式中：f b 许用弯曲应力f b = 2 2 7 ? m p a ( 见规范1 5 l4 4 ) 许用弯曲应力均大于拉伸许用应力和压缩许用应力，因此，当杆件受拉时， 用f t = 2 0 t m p a 校核静强度；当杆件受压时，用相应的计算值f a 校核静强度。 3 2 5 静强度校核条件叫 最大正应力： n rm s渔 盯一2 了+ w x o + 一w y o 剪应力为：，：扼f i 矿 复合压应力为：盯复= 止巧 ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 压弯组合时，考虑到杆件细长的特点，剪力和扭矩都比较小，不计算剪应力 只计算正应力。正应力强度条件为： 兰州理工大学工程硕士学位论文 ：竽+堕+竺fao(3-9)max 2 了+ 瓦+ 瓦s 习 由于紫瑞c a e 软件的计算输出结果包括轴力、弯矩、剪力及扭矩数值，不计 扭矩的影响，根据第四强度理论( 即形状改变比能理论) ，复合压应力强度条件为： 骚= m “+ 3 r 2 f a ( 3 1 0 ) 根据紫瑞c a e 软件在各工况下的计算输出结果，进行人工计算，利用公式 编辑的计算功能，对该井架进行复合压应力的校核。 3 3 确定载荷 3 3 ，1 恒定载荷 井架主体自重：g - - 4 5 0 7 0 0 n 天车自重：g = 5 6 4 6 0 n 游动系统自重：g 辨= g * 车+ g 目, f 3 0 3 0 0 + 2 1 4 0 0 = 5 1 7 0 0 n 二层台自重：ge = 2 9 9 7 0 n 恒载的分配：天车重量平均分配到井架四个顶点上；游动系统自重按井眼中心 位置不对称分配到四个顶点上；二层台自重平均分配到二层台四个支撑点上。 3 3 2 工作载荷 最大静钩载：q 一= 2 2 5 0 0 0 0 n 作用在天车上的总载荷；p * = ( q 岫，+ g * ) k = 2 7 6 2 0 0 0 n 式中：k 天车和游车的轮系比：6 5 工作载荷的分配：按井眼中心位置不对称分配到四个顶点上，凡= 7 9 8 0 0 0 n ，r 。 = 6 7 2 0 0 0 n ，r c = 6 5 7 0 0 0 n ，r o = 6 3 5 0 0 0 n 。 3 3 3 自然载荷 本次计算中，自然载荷仅考虑风载。风载公式由a p is p e c i f i c a t i o n4 f ( 第二 版) 给出。 风载公式f = p x a 式中： f 风载( n ) ；p 一风压( p a ) a 迎风面积( m 2 ) ，即与风向垂直平面上的投影总面积 风压公式p ：o 6 1 1 5 v k 2 c h x c 。 兰州理工人学工程预士学位论文 式中：卜_ 风压( p a ) ；v k - 一风速( m s ) c i _ 一高度系数，见表3 2 c s _ 一形状系数，对于井架，c s = 1 2 5 表3 - 2 高度系数表 高度( 地面或水平面到面积中心的垂直距 c h 离) mf t o 、1 50 1 5 0 1 0 1 5 3 05 0 “1 0 0 l l 3 0 4 51 0 0 “1 5 01 2 4 5 6 01 5 0 2 0 0 1 3 6 0 7 52 0 0 2 5 01 3 7 简化以上风压公式p = 0 7 6 4 3 7 5v 。2 c 。= p c 、 各种风速下的p7 见表3 3 。 表3 - 3 各种风速下的风压表 风速v 。( m s )4 7 m s ( 9 3 节) 3 6 m s8 3m s ( 1 6 ( 7 0 节)可， p ( p a )1 6 8 8 59 9 0 65 2 6 6 风载公式简化为f = p x a = p ac 、 式中：卜风载( n ) p7 风压( p a ) a 迎风面积( m 2 ) ，按井架正面或侧面实际面积乘以体型系数计算，各段体 型系数由挡风系数和型钢杆件体型系数确定。 风载近似认为均匀分布在井架各段结点上。 1 ) 井架正面( 背面) 风载计算 风载合力f - p ac 。 e a 厶计算见表3 4 。 表3 4e ac h 计算表 序号部位a ( m 2 )h ( m )c b ac 。ac bh 1左右i 段1 0 8 27 8l1 0 8 28 4 4 0 2左右i i 段1 2 2 31 7 81 11 3 4 52 3 9 4 1 3左右段9 4 93 0 o1 11 0 4 43 1 3 2 4左右段8 9 84 2 51 2l o 7 84 5 8 1 5 5 二层台 7 73 3 11 18 4 72 8 7 6 天车 4 0 54 9 61 35 2 72 6 1 4 兰州理工大学工程硕士学位论文 a = 5 3 2 7 群ac 。= 5 9 2 3m 2ac 。h = 1 6 4 3 5 6m 3 a ) 对于9 3 节风( 4 7 m s ) 风载合力：f = p ac = 1 6 8 8 5 5 9 2 3 = 1 0 0 0 1 0 n 其作用高度：h 。= ac 。h ac 。= 1 6 4 3 5 6 5 9 ，2 3 = 2 7 8 m 作用于井架每段各结点均布风力：f 镕= f 5 8 = 1 0 0 0 1 0 5 8 = 1 7 2 4 n b ) 对于7 0 节风( 3 6 m s ) 风载合力：f = p ac 。= 9 9 0 6 x5 9 2 3 = 5 8 6 7 3 n 作用于井架每段各结点均布风力：f 镕= f 5 8 = 5 8 6 7 3 5 8 = l o l 2 n c ) 对于1 6 节风( 8 3 m s ) 风载合力： f _ p ac h = 5 2 6 6 x 5 9 2 3 = 3 1 1 9 n 作用于井架每段各结点均布风力：f 镕= f 5 8 = 3 11 9 5 8 = 5 4 n 2 ) 满立根时立根迎风面积及立根风载 按5 ”钻杆，4 0 0 0 m 容量计算，2 8 m 立根，1 4 4 柱，每排1 8 柱，共8 排。 立根重：g = 3 2 k g m 4 0 0 0 m = l2 8 0 0 0 0 k g f 1 2 8 0 0 0 0 n a ) 7 0 节风从背面吹来时，喉台两侧立根存放区各有9 柱，立根迎风面积为 ae = 1 8 0 1 6 3 2 8 = 8 2 1 5 2 一 立根风载：e l = p a c n = 9 9 0 6 8 2 1 5 2 1 1 s i n 8 8 。= 8 9 4 6 3 n 立根靠力( 取立根倾斜2 。) f 2 = gi t 9 2 。= 1 2 8 0 0 0 0 t 9 2 。= 4 4 6 9 9n 立根风载和立根靠力综合考虑，对二层台的作用力近似公式为 f = ( f 。+ f 2 ) 2 = 6 7 0 8 1 n f 。近似分布在二层台四个支撑点上。 f i = f i 4 = 1 6 7 7 0 n b ) 7 0 节风从侧面吹来，满立根时，立根迎风面积为 a 自= s x 0 1 6 3 2 8 = 3 6 5 1 6 m 2 立根风载：f 。_ = p 7 a _ c m = 9 9 0 6 3 6 5 1 6 1 1 s i n 8 8 。= 3 9 7 6 6 n 立根风载和立根靠力综合考虑，对二层台的作用力 f 女= ( f 1 自+ f 2 ) 2 = 4 2 2 3 2 n f 近似分布在二层台四个支撑点上。 f d = f 女目4 = 1 0 5 5 8 n 3 ) 井架侧面风载计算 风载合力f ：p e ac h 井架侧面ag 计算见表3 5 。 1 4 兰州理工大学工程硕士学位论文 表3 - 5 ac 。计算表 序号部位a ( i l l 2 )h ( m )c hac hac 。h l左右i 段1 1 3 27 8ll o 8 28 4 4 0 2左右i i 段6 5 51 7 81 1 7 2 0 51 2 8 2 5 3 左右段 6 7 63 0 o1 17 4 3 62 2 3 0 8 4左右段6 2 84 2 51 27 5 3 63 2 0 2 8 5 二层台 5 8 23 3 11 16 42 1 1 8 4 6天车3 7 84 9 61 34 9 1 42 4 3 7 3 a = 4 0 5 1m 2e ac 。= 4 4 8 1i n 2e ac hh = 1 2 1 5 4 8 m 3 a ) 对于9 3 节风( 4 7 m s ) ： 风载合力： f _ p 7 e ac 。= 1 6 8 8 ，5 x 4 4 8 1 = 7 5 6 6 2 n 其作用高度：h 。= ag lh ac 、= 1 2 1 5 4 8 4 4 8 1 = 2 7 i m 作用于井架每段各结点均布风力f = f 5 4 = 7 5 6 6 2 5 4 = 1 4 0 0 n b ) 对于7 0 节风( 3 6 m s ) ： 风载合力：f = p e ac h = 9 9 0 6 4 4 8 i = 4 4 3 8 8 n 作用于井架每段各结点均布风力：f 镕= f 5 4 = 4 4 3 8 8 5 4 = 8 2 2 n c ) 对于1 6 节风( 8 3 m s ) ： 风载合力：f = p7 ac h = 5 2 6 6 x 4 4 8 1 = 2 3 6 0 n 作用于井架每段各结点均布风力：f 镕= f 5 4 = 2 3 6 0 5 4 = 4 4 n 3 3 4 起升载荷 下面以初始位置( 5 6 。倾角) 和1 5 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。、7 5 。、9 0 。倾角 为例( 图3 2 ) ，计算起升力。 图3 - 2 井架起升示意图 1 5 兰州理工大学工程硕士学位论文 井架自重g = 4 5 0 7 0 0 n ，井架重心与并架支脚点距离l 。= 1 8 5 2 0 m m 。 天车自重g $ = 5 6 4 7 0 n ，天车重心与井架支脚点距离l 2 = 4 9 6 1 3 哪。 随井架起升时，与起升有关的底座部分重量由井架提起底座的销轴处和底座中 层杆件承载，过井架提起底座销轴中心、在垂直方向上对井架的分力大小f = g 。 = 2 1 0 0 0 0 n ，井架提起底座销轴处距井架支脚点距离l 3 = 6 0 5 0 m m 。 二层台距井架支脚点距离b = 3 3 1 0 0 r