（机械工程专业论文）zj906750db超深井钻机井架及底座静动态特性研究.pdf

摘要 随着油气资源的不断开发，钻井面向更深的地层，超深井钻机的应用成为必然。作 为钻机起升设备的重要组成部分井架和底座，在钻井作业中起着重要的作用。与普 通钻机不同的是超深井钻机的工作环境更为恶劣，名义钻井深度和设备重量等显著增 加，井架和底座承受的静载荷和动载荷更大。井架和底座的强度和安全性是钻进得以正 常进行的保障，所以对超深井钻机井架和底座的静动态特性研究是十分必要的。 本文以z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座为研究对象，根据其结构特点应用 a n s y s 有限元分析软件完成了井架及底座力学模型的建立。 依据最新a p is p e c4 f 钻井和修井结构规范中载荷设计的原则，着重选取工况 l a 、工况2 和工况3 a 完成钻机井架及底座的整体静态特性分析，得到结构的应力分布 和变形情况，并给出安全系数。最后根据静态特性分析结果对井架及底座结构安全等级 进行综合评价。 对井架及底座整体进行动态特性研究。分析结构的自振特性，获得结构自振频率和 模态振型。完成结构在周期性载荷和冲击载荷作用下的谐响应和瞬态动力学响应，得到 激励点的动态响应规律。完成结构的屈曲分析，确定结构的失稳形式和极限载荷。 介绍了地震反应谱的理论和特点，结合建筑地震规范完成了z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井 钻机井架及底座的抗震分析，得到结构在地震激励作用下的位移和内力响应。 介绍了井架和底座的起升原理和受力分析。应用p r o e 建立了井架及底座的三维模 型，结合机械系统动力学分析软件a d a m s 分别完成了井架起升和底座起升的动力学分 析，获得了起升过程中的动态响应。 关键词：超深井钻机，井架及底座，地震激励，静态特性，动态特性 s t u d yo ns t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fz j 9 0 6 7 5 0 d b u l t r a - - d e e pd r i l l i n gr i gd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r e w a n gd o n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g a ox u e s h i a b s t r a c t w i t hc o n t i n u o u so i la n dg a sr e s o u r c e se x p l o i t a t i o n ，d r i l l i n gd e v e l o p st od e e p e rf o r m a t i o n ， t h eu s ef o ru l t r a d e e pd r i l l i n gr i gi sb e c o m i n gn e c e s s i t y a st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fr i g h o i s t i n ge q u i p m e n t s d e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r e ，w h i c hp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nd r i l l i n g o p e r a t i o n d i f f e r e n tf r o mo r d i n a r yr i g ，u l t r a - d e e pd r i l l i n gr i gw o r k i n ge n v i r o n m e n ti se v e n w o r s e ，n o m i n a ld r i l l i n gd e p t ha n de q u i p m e n t ，as i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nw e i g h t ，d e r r i c ka n d s u b s t r u c t u r et ow i t h s t a n dt h es t a t i cl o a da n dd y n a m i cl o a dg r e a t e r t h es t r e n g t ha n ds e c u r i t y f o rd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r ei st h ep r o t e c t i o no fd r i l l i n gt ob en o r m a l ，t h e r e f o r e ，s t u d yo n s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a - d e e pd r i l l i n gr i gd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r ei s n e c e s s a r y i n t h i sp a p e r , z j 9 0 6 7 5 0 d bu l t r a - d e e pd r i l l i n gr i gd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r ef o rt h e r e s e a r c ho b j e c t , a c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r a lf e a t u r e s ，a p p l i c a t i o na n s y sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r et oc o m p l e t em e c h a n i c a lm o d e ld e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r e b u i l d i n g b a s e do nt h el a t e s ta p is p e c4 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 ls e r v i c i n g s t r u c t u r e s ”i nt h ep a y l o a dd e s i g np r i n c i p l e s ，f o c u s i n go ns e l e c t e dc o n d i t i o n sla , c o n d i t i o n2 ， a n dw o r k i n gc o n d i t i o n s3 a ，t h ec o m p l e t i o no fd r i l l i n g r i g sa n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so f s u b s t r u c t u r eo ft h eo v e r a l la n a l y s i s ，o b t a i n e dt h es t r u c t u r eo ft h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n d d e f o r m a t i o n ，a n dg i v e st h es a f e t yf a c t o r f i n a l l y , a c c o r d i n gt oa n a l y s i s o fs t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s ，e v a l u a t et h es t r u c t u r a ls a f e t yl e v e lo fd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r ea saw h o l e r e s e a r c ho nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r ea saw h o l e a n a l y s i so f t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r e ，o b t a i nn a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c i e sa n dm o d a l s h a p e c o m p l e t et h es t r u c t u r ei nac y c l i c a ll o a da n di m p a c tl o a d so fh a r m o n i cr e s p o n s ea n d t r a n s i e n td y n a m i cr e s p o n s e ，o b t a i nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h el a wo fi n c e n t i v ep o i n t s c o m p l e t i o no fs t r u c t u r a lb u c k l i n ga n a l y s i st od e t e r m i n et h es t r u c t u r eo ft h ei n s t a b i l i t yo ft h e f o r ma n dt h el i m i tl o a d 1 1 i n t r o d u c et h et h e o r yo fs e i s m i cr e s p o n s es p e c t r u ma n dc h a r a c t e r i s t i c s ，w i mt h es e i s m i c b u i l d i n gs t a n d a r d s ，c o m p l e t ez j 9 0 6 7 5 0 d bu l t r a d e e pd r i l l i n gr i gd e r r i c ka n d s u b s t r u c t u r eo f t h es e i s m i ca n a l y s i s ，o b t a i nt h es t r u c t u r ed i s p l a c e m e n t sa n di n t e r n a lf o r c e st or e s p o n du n d e r t h ee a r t h q u a k ee x c i t a t i o n d e s c r i b et h ed e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r eo ft h el i f t i n gp r i n c i p l ea n dm e c h a n i c a la n a l y s i s e s t a b l i s ht h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lf o rd e r r i c ka n dt h eb a s ew i t hp r o e ，c o m p l e t et h e r a i s i n gp r o c e s sd y n a m i ca n a l y s i sf o rd e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r ew i t ha d a m s ，am e c h a n i c a l s y s t e md y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ei s o b t a i n e dd u r i n gt h er a i s i n g p r o c e s s k e y w o r d s ：u l t r a - d e e pw e l lr i g ，d e r r i c ka n ds u b s t r u c t u r e ，e a r t h q u a k ee x c i t a t i o n ，s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 衫彳：系 日期： ，年莎月矿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 砂衙、 亳磊饥 ， 日期：蝴年石月易日 日期：户年6 , 9 2 ，日 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 1 1 石油钻机井架及底座概述 第一章绪论 1 1 1 钻机井架及底座介绍 石油钻机井架及底座是钻机起升设备的机械核心，是钻井设备( 天车、游车、大钩 和水龙头等) 的质量载体。井架主体是一种高耸的钢架结构，井架不仅用于安装天车和 游车等恒载设备，而且在钻井作业中钻进、起下钻、打捞钻具以及各种修井作业中都起 着绝对的支配作用。底座是和井架相配套的钢架结构，根据设计的不同，底座的功用也 有一定的差别，但大体上还是不变的。一般情况下，底座用于支撑整个钻井设备的重量、 安放井口装置、调节井口中心位置等。除了顶部驱动钻机外，底座转盘还起着承受井下 钻具重量和产生持续钻进扭矩的作用。虽然大多数井架及底座的功用基本相同，但由于 地质条件、钻井工艺的要求和环境等条件的限制，井架及底座的结构形状也不尽相同。 石油钻机井架按照其结构形式大致可分为4 大类：a 形井架、塔形井架、前开口井 架( k 形井架) 和桅形井架( 修井井架) ，这些井架根据其结构形式的不同分别应用于 不同的钻井工况。 整体稳定性不佳是a 形井架的一个显著缺点，但它可实现低位安装起升，井架通 过等截面的柱状钢结构组成，各段之间仍然通过螺栓或者高强度销子连接而成。a 形井 架作业时钻台留有较大的空间，操作人员视野宽广，没有空间约束感。由于具有这样的 优点，前期a 形井架被国内外各大油f f l 广泛采用。高位安装和低位安装是a 形井架发 展及应用的两个典型时期。 塔形井架是一种横截面为正方形的且前大门左右侧扇对称的空间钢架结构，主立柱 一般为高强度的焊接h 钢或者对焊双角钢，横撑和斜撑等都是通过高强度螺栓连接而 成。该井架底部跨度很大且载荷对四个主立柱基本对称，所以塔形井架的显著特点是承 载能力极高，整体稳定性能可靠，在本世界初得以广泛应用。现在海洋钻井船、钻井平 台基本上都是配套顶部驱动的塔形井架，有的甚至还是双塔形井架结构。其缺点是安装 井架以及完井后的拆卸工作麻烦，结构件多且运输不方便。 前开口k 形井架是目前应用的非常广泛的一种井架结构。该井架整体刚度性能好、 前后稳定性强，且能够实现低位安装起升。k 形井架在陆地钻井中占据绝对的支配地位， 由于该井架易于安装顶驱导轨，所以陆地深井和超深井钻机也选用k 形井架。相对于a 第一章绪论 形井架，前开口k 形井架的结构较为简单，由左右侧扇、背部连接横撑和斜撑构成， 侧扇由四段到五段主体通过大炮销连接而成，所以k 形井架安装、拆卸和移运较为方 便。在钻井作业时，正面两个主立柱是主要承载立柱，井架在大钩载荷作用下有前倾的 趋势，所以背面来风加强井架前倾趋势，对井架的危害会更大些。 桅形井架一般用于完井后的修井服务。该井架承载能力较小，且通过钢丝绷绳斜立 固定于井口附近进行修井作业。井架横截面为矩形，通常由上段和下段组成，且上段嵌 套在下段内部。起升时依靠液压动力先将井架下段起升到工作位置，然后通过拉动内部 的钢丝绳把嵌套在下段内的井架上段起升到预定位置。 前面论述了井架的发展历程，伴随着钻机设计的不断更新，底座的结构也跟着不断 变化。层箱式、箱快式和自升式底座是底座发展历程中最具有代表性的结构形式，下面 将一一论述其特点。 所谓层箱式底座就是通过连接结构杆件将一系列的箱形框架组合起来，其钻台高度 可以根据钻井工艺的要求不断改变。所以该底座的优点是高度可调、制造相对简单，但 该底座的结构显得笨重、复杂，不易安装和拆迁底座。 箱块式底座较层箱式底座有了一定的发展和优化，选取了集成模块的方案，把立根 盒梁、转盘梁和绞车梁分别制作成特定的箱快式模块，组装的时候只需要用高强度销轴 连接这些模块即可。所以该底座的优点是安装和拆卸比较方便，工作量小。但该底座的 一个明显缺点就是绞车难以上高钻台，一般采取分离主绞车和猫头绞车的方案来解决这 个困难。 自升式底座结构代表了底座的发展趋势，其优点是可实现低位安装起升，且钻台面 上的钻井设备( 绞车、井架、人字架、转盘等) 均可一次性低位安装在底座顶层上，而 不需要动用重型起吊机械高位安装。在某些程度上较小了劳动量，消除了人身安全隐患。 1 1 。2 钻机井架及底座的发展趋势 随着世界各国油气资源勘探、开发的不断进行，国际石油资源的竞争日益激烈，谁 能在最恶劣的环境下实现钻井和采油，谁就能获取更多的经济效益。对于石油钻机来说， 这就对井架及底座的设计提出了更高的目标，要求井架及底座要向着社会需要的方向发 展。总体来说，石油钻机井架及底座的发展趋势有两个明显的方向：快速移运性和超深 井这两个方面。 有很多井位相距较近或者是丛式井，钻井完毕后，需要尽快的做近距离的搬迁，如 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 果不能快速移动，势必浪费了钻井时间，造成经济损失。目前有相当一部分在国内服役 的中型和重型模块钻机井架和底座均不能适应快速移运、快速安装的要求。所以模块集 成化程度高、安装和拆卸井架及底座方便且具有快速可移的特点是新型钻机井架及底座 发展的一个重要趋势跚。 另外，随着陆地油气资源开采的不断进行，钻井向海洋和陆地的深井和超深井方向 发展，这就要求钻机井架和底座的设计要面向深井和超深井。对于超深井钻机井架和底 座的设计，不仅要考虑最基本的设备连接、井架和底座的强度、刚度和稳定性等，还要 根据超深井钻机的工作特点，全面衡量其使用的安全可靠性以及对环境的适应程度等条 件，所以钻机井架及底座面向深井、超深井服务也是其发展的一个重要趋势。 本文以z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座为例，研究井架底座整体系统的静动 态特性。 1 1 3z j 9 0 超深井钻机井架及底座的特点 目前世界超深井钻机以9 0 0 0 米和1 2 0 0 0 米为主要代表，这里因为课题研究的需要 仅介绍9 0 0 0 米超深井钻机井架及底座的特点。 9 0 0 0 米超深井钻机配套井架仍以前开口k 形井架为主，在井架背扇横梁上安装顶 部驱动导轨，导轨有单导轨和双导轨之分。钻井作业时顶部电机通过齿轮变速箱产生扭 矩直接带动钻杆及钻头进行持续钻进作业，而不需要传统的转盘驱动。顶驱装置可通过 导轨在井架内部上下运动，且通过反扭矩梁使井架体承受一定的反扭矩作用。井架低位 安装，整体起升，底座采用自升式底座，应用最为广泛的是弹弓式和旋升式两种。无论 是弹弓式还是旋升式底座，都是根据平行四边形的原理进行低位起升的，它们之间的不 同在于，弹弓式底座要求井架、人字架和绞车等都位于钻台面上。井架支铰、人字架支 铰通过高强度销子分别销接于底座项层左右上座的前后箱形梁上，属于典型的低位安 装，高位工作状态，井架重心上移，稳定性差。起升时先起升井架，此时底座处于自然 叠放状态，待井架起升完毕后，改变起升大绳缠绕方式，通过井架内部的游动钢丝绳系 统和底座的起升大绳继续起升底座。所以与井架起升相比，底座起升要承受更大的载荷， 井架以及钢丝绳承受的压力和拉力更大，该工况则更为危险。而对于旋升式底座而言， 井架支铰销接于底座基座之上，井架和底座起升相对独立，起升稳定性较好。 除以上所述，9 0 0 0 米超深井钻机井架及底座在选材和结构尺寸方面较一般钻机井 架和底座有明显不同口1 。主要表现在以下几个方面：杆件结构尺寸增大；结构材料防腐 3 一 绪t 蚀、耐低温特性好：大钩载荷与名义钻井深度相比有较大的增加；钻机配重设各的质量 明显增大。z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机的1 05 m 高钻台见下图1 - 1 所示。 图1 - 11 0 5 m 高钻台 f i g l - 1 1 1 1 5 mt o pd r i l l i n gf l o o r 12 井架及底座计算研究现状 目前，我国石油钻机井架及底座的设计计算总的来说还是以静力没计为主，动力设 计为辅，现场经验也是一个设计的参考标准。各石油钻机生产厂家相互借鉴，通过现场 的经验反馈有目的的在现有基础上改进井架及底座结构。 自从上世纪7 0 年代开始。钻机井架及底座的动态响应和动态设计才慢慢被设计者 重观起来“。由于较少的关注井架及底座的动力学特性，致使钻机工作时，井架及底 座的振动与设备的振动频率接近而发生共振，增加了钻井的危险性，减少了钻井设备的 使用寿命。研究文献发现国内外对石油钻机井架及底座的静动态特性设计分析不够全 面，没有一个统一而全面的衡量标准大家各研究各的，不能形成对井架及底座的系统 分析。而静态特性分析所选取的恶劣工况基本一直没有改变，与a p is p e c4 f 钻井与 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 修井结构规范的载荷设计标准不能时刻保持一致，井架及底座的设计要根据标准的更 新与时俱进。就动态特性分析而言，对井架及底座进行抗震分析更不多见，另外，没有 形成对弹弓式底座起升的动力学系统分析，没有把动力学分析相互联系。所以系统全面 的研究石油钻机井架及底座的静动态特性是时代的需要和要求。 1 3 课题内容研究的意义 z , j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架和底座的设计理念是种新的趋势，井架安装在钻台 面上，实现低位安装起升，在各种工况下，井架和底座之间都是相互影响的。在钻井过 程中，井架及底座不仅要承受设备的恒载作用，而且要承受各种动力载荷的作用。超深 井钻机井架及底座的安全性能直接影响到钻井的经济效益和现场工作人员的生命安全。 由于特殊的工作环境，对于超深井钻机井架及底座来说，从设计到产品实现这期间投入 的人力、物力和财力要远大于一般钻机，更重要的是在工作过程中要保证静动态等各项 指标的安全性。因此，应用有限元分析软件a n s y s 建立合理的z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻 机井架及底座整的力学模型，对其进行整体的静动态特性分析，详细了解恶劣工况下的 位移和应力分布情况以及动态振动响应特性，并根据最新a p is p e c4 f 标准对该井架及 底座进行结构安全等级评价。分析井架及底座起升过程中铰支座的受力变化情况。所有 这些对于我们深入了解该钻机井架及底座的力学性能提供强有力的帮助，可以有效避免 钻井现场危险事故的发生，计算结果可反过来指导超深井钻机井架及底座结构的改进设 计，指导井场作业人员的操作，对我国石油钻机井架及底座的设计制造有着积极的指导 作用。 1 4 课题研究的主要内容 本课题主要研究超深井9 0 0 0 米钻机井架及底座整体系统的静动态特性，详细可分 为以下几各方面： 1 z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座系统有限元模型的建立。 主要内容包括：z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座结构模型的简化，井架及底座 单元b e a m l8 8 的实现，最终编写命令流文件建立z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座 系统的力学模型。 2 运用a n s y s 软件完成z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座的静态特性分析。 主要内容包括：确定钻井结构计算的许用应力及安全系数，分析载荷设计标准及环 5 第一章绪论 境风载荷的计算方法。最后根据最新a p is p e c4 f 钻井与修井结构规范载荷设计的 要求，进行z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座整体系统的静力学有限元仿真。 3 完成z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座的动态特性分析。 主要内容包括：井架底座整体系统的模态分析和瞬态动力学分析、谐响应分析以及 稳定性分析。 4 完成z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座的抗震性能分析。 主要内容包括：井架及底座地震反应谱的选取，地震反应谱相关概念的介绍，应用 反应谱振型法对井架及底座整体结构进行抗震性能分析，对结果进行归纳总结等。 5 完成了z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座的起升动力学分析。 主要内容包括：井架及底座虚拟样机模型的建立，井架及弹弓式底座起升原理分析 和受力分析，最后进行动力学仿真。 6 结论。 6 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第二章z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座模型的建立 2 1 引言 建立合理的石油钻机井架及底座的力学模型，是进行力学计算分析的基础，计算模 型实际上就是现实钻机井架及底座的数学抽象。模型的建立要符合以下两个条件：第一， 就是所建立的模型必须能够反映实际井架及底座的主要结构特征；第二，从力学的角度 出发，所建立的模型必须满足实际井架及底座自由度和受力特点的要求。石油钻机井架 及底座结构复杂，受力特点以及边界条件多变，应用解析法完成计算分析显然是不现实 的，所以必须借助于数值计算的方法来完成。本章将应用有限元分析软件a n s y s 完成 z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座力学模型的建立，为后面章节中的静动态特性研究 做好铺垫。 2 2 井架及底座力学模型的简化 z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架由下段、中下段、中上段、上段四部分组成，底座由 基座、底座中承、底座顶层三大部分构成。底座中承又包括立支架、斜片架、前立柱、 中立柱和后立柱这五部分，底座顶层由立根盒、转盘梁、左右上座、绞车梁等组成。安 装时采用地面低位安装，并且井架通过左右上座箱横梁的销子与底座相连接置立于钻台 面上。起升时，先利用绞车的动力通过钢丝绳和人字架起升井架，此时底座仍折叠于地 面上。待井架起升完毕，利用井架作为依靠，钢丝绳绕过井架导向滑轮起升底座，最终 实现底座顶层与底座人字架的销接。 由于实际井架及底座的复杂程度，在建立有限元模型时需要做一些简化处理呻1 ： ( 1 ) 抓住主要因素，忽略次要因素，以井架及底座主要承载结构和构件为目标建 立有限元模型。 ( 2 ) 选取井架及底座的自然焊接点、铰接点、变截面处等作为有限元中的基本节 点。当然，对于井架各段之间的销连接，由于下段和中下段主立柱型钢型号不一致，铰 接处必须设立节点外，其余各段铰接处由于主立柱型钢型号一致，单元很短，不需要建 立节点。 ( 3 ) 由于在计算中要约束底座基座，所以在建模中不必要建立底座基座，而直接 约束底座中承立柱下部节点。 7 第二章z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深片钻机井架及底座模型的建立 ( 4 ) 由于未考虑附件的重量，井架及底座有限元模型的重量肯定小于实际的重量， 额外的负重通过施加密度和重力加速度予以解决。 如上所述，对井架及底座实际模型做出适当的处理后，我们可以建立其有限元模型。 2 3 井架及底座单元的b e a m l8 8 实现 2 3 1b e a m l8 8 空间梁单元特性阳1 对于空间梁单元，可采用b e a m 4 、b e a m l 8 8 等多种单元类型，本章中将应用 b e a m l 8 8 单元来模拟井架及底座各结构杆件。应用b e a m l 8 8 单元有以下优点：第一， 不需要像b e a m 4 那样计算截面实常数，应用方便；第二，可以模拟变截面梁和自定义 截面；第三，模型中显示出结构钢真实的形状和尺寸，便于建模后的检查。基于 t i m o s h e n k o 理论基础建立了b e a m l 8 8 单元，该单元考虑了剪切变形的影响，应用范围 广，从细长到中等粗短的梁单元结构都可模拟。 b e a m l 8 8 是三维线性单元，在梁的中点位置处有且仅有一个沿轴向方向的积分点。 每个节点有六个或者七个自由度，参数k e y o p t ( 1 ) 的值决定自由度的具体数量。这个 单元不仅适合于研究线性问题，而且对于大角度转动和非线性大应变问题的研究也非常 适用。当k e y o p t ( 1 ) - - 0 ( 缺省) 时，每个节点有6 个自由度；沿坐标系x 、y 、z 方向 的平动和绕x 、y 、z 轴的转动。当k e y o p t ( 1 ) = i 时，多了横截面的翘曲自由度，每个 节点共7 个自由度。b e a m l 8 8 单元坐标系见下图2 1 所示。 图2 - 1b e a m l 8 8 单元坐标系 f i 9 2 - 1 b e a m l 8 8e l e m e n tc o o r d i n a t es y s t e m 与b e a m 4 单元类似，b e a m l 8 8 单元由整体坐标系的节点i 、j 、k 定义，其中k 节点是单元定位节点，用于确定单元横截面的方向。定位节点k 与梁单元不共线，但与 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 梁单元共面，且横截面主轴z 的方向在该平面内。在没有选择定位节点k 的情况下，按 照默认设置，单元坐标系的y 轴和整体坐标系的x y 平面平行。当梁单元的轴线( 单 元坐标系的x 轴) 正好或接近整体直角坐标系的z 轴时，单元坐标系的y 轴与整体直 角坐标系的y 轴平行，根据右手定则确定单元坐标系的z 轴。 2 3 2 单元截面的b e a m l 8 8 实现n 伽 与其它梁单元相比，保持“梁的主要特征是b e a m l 8 8 单元的特点，即三维实体 结构的真实特点被表达出来。同时应用b e a m l 8 8 可根据需要自行定义横截面，所以， 梁的横截面要先于梁单元定义之前定义。b e a m l 8 8 单元的横截面参数即可形成单元刚 度矩阵，不用定义实常数。 底座主要结构、井架主力柱、侧扇部分横撑是由焊接h 钢组成的，侧扇斜撑以及 部分横撑是双角钢并焊结构、二层台架主梁为槽钢结构。除此之外，井架的下段和中下 段主立柱采用不同的焊接h 钢，其连接位置应该是变截面梁。b e a m l 8 8 对单元截面参 数的定义通过以下三步完成。 1 截面定义和截面i d s e c _ t y p e ，s e c i d ，t y p e ，s u b t y p e ，n a m e ，r e f i n e k e y 其中： s e ci d 一截面不重复参考号。 t y p 卜截面类型，对于井架等截面梁单元，令t y p e = b e a m ，对于变截面梁 单元，令t y p e = t a p e r 。 s u b t y p r 截面类型，当t y p e = b e a m 时，对于焊接h 钢：s u b t y p e = i 对于槽钢： s u b t y p e = c h a n ；对于单角钢：s u b t y p e = l ；特别的，当需要自定义截面时， s u b t y p e = m e s h 。 n 锄r 截面名称。 r e f i n e k e 广划分梁截面网格等级，有六个级别，即从粗到细为o 5 。对于井架 及底座建模中均采用缺省的网格设置。 2 定义梁截面几何数据( t y p e = b e a m ) s e c d a t a ，v a l l v a l lo 以焊接h 钢为例，参数输入：下翼板宽度、上翼板宽度、截面高度、下翼板厚度、 上翼板厚度和腹板厚度这6 个数据。 9 第二章z j 9 0 6 7 5 0 明超深井钻机井架及底座模型的建立 3 定义梁截面偏移量( t y p e = b e a m ) s e c o f f s e t ，l o c a t i o n ，o f f s e t _ y ，o f f s e t z 其中： l o c a t i 伽_ 一有4 个位置的偏移供选择： c e n 卜梁节点偏移到质心( 缺省) 。 s h r c 梁节点偏移到剪心。 o 鼬g i n 二梁节点偏移到横截面原点( 截面y 轴和z 轴的交点) 。 u s e r 两节点偏移到用户指定位置( 相对于横截面原点) ，由o f f s e ty ，o f f s e tz 确定。横截面偏移位置见下图2 2 所示。 z s h i 圯剪心 o o r i g i n 原点 户 图2 - 2 截面偏移几何关系 f i 9 2 - 2 t h es e c t i o no f f s e tg e o m e t r i c a lr e l a t i o n s h i p 以上介绍了b e a m l 8 8 建立单元截面的一般程序，对于标准截面我们可直接根据相 应命令建立，下面着重介绍井架及底座中出现的变截面和自定义截面的建立过程。 变截面梁( t y p e = t a p e r ) 的定义需要应用下面程序： s e c d a t a ，s e c i d n ，x l o c ，y l o c ，z l o c 其中： s e c _ i d n 梁截面识别号，用于端点l ( i ) 和2 ( j ) 截面i d 。 x l o c 、y l o c 、z l o c 整体坐标系中s e ci d n 的位置坐标。 在井架及底座结构中变截面梁的设计存在且合理，有利于结构的优化设计。例如井 架下段主立柱和中下段主立柱的连接单元就是变截面梁、底座立根盒后梁靠近井口中心 处为变截面梁。b e a m l 8 8 较其它梁单元的一个显著的特点之一就是可以实现梁的变截 1 0 中同i 油 学( 华东) 砸i 学论文 面控制。定义变截面粱首先要定义两个粱截面参数，然后根据要定义的变截面粱再定义 各个粱截面i d 的空间位置坐标。两端的截面类型必须相同，即必须满足具有相同的 s u b t y p e 类型、相同的栅格数和相同的材料号。下面以立根盒后粱为例说明变截面粱的 a n s y s 命令实现过程。 立根盒后粱两端焊接h 钢型号：h 1 0 5 0 x3 6 0 2 0 4 0 ，立根盒后梁中日j 段焊接h 钢型号：h 1 3 0 0 x 3 6 0 x 2 0 4 0 ，则其变截面粱连接命令如下： s e c t y p e ，1 ，b e a m ，i & s e c o f f s e t ，u s e r ，0 ，0 4 s e c d a t a ，o3 6 ，o3 6 ，10 5 ，00 4 ，00 4 ，00 2 s e c t y p e ，2 ，b e a m ，i s e c o f f s e t , c e n t s e c d a t a ，03 6 ，03 6 ，i3 ，00 4 ，0 0 4 ，00 2 s e c t y p e ，3 ，t a p e r s e c d a t a ，1 ，- l4 7 5 ，一15 5 5 ，9 s e c d a t a ，2 ，- 12 ，】5 5 5 ，9 s e c t y p e 4 ，t a p e r s e c d a t a ，l ，1 4 7 5 ，- 15 5 5 ，9 s e c d a t a ，2 ，12 ，一l5 5 5 ，9 s e c n u m ，3 e ，2 8 6 ，2 8 8 e ，2 8 8 ，2 9 6 s e c n u m ，4 e ，2 8 7 ，2 8 9 e ，2 8 9 ，2 9 7 ，e s h a p e 10 最终形成的立根盒后粱b e a m l 8 8 模型见下图2 3 所示。 【】| j 【l 删7 i 图2 - 3 立根盘后粱b e a m l 8 8 模型 f i 9 2 - 3b e a m l 8 8 m o d e l o f b e c kb e a mo fs e t b a e k 下面介绍b e a m l 8 8 自定义截面( t y p e = m e s h ) 的实现。 自定义截面的存在使得井架及底座一些加强结构截面能够得较好的模拟，例如筋 镕 z j 9 0 6 7 5 0 d b 超井钻机井架段底座模型建口 板加强后的天车架主梁等。当截面不是a n s y s 截面库中标准的截面外，口丁采用自定义 截面。自定义截面具有很大的灵活性可定义任意形状的截面，材料也可以不问，井架 模型中侧扇斜撑a ，用自定义截面实现职角钢井焊结构。 自定义截面实现命令如下： s e c w r n t ，n a m e s e c r e a d z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架斜撑：l l l 2 5 1 2 5 1 0 ，a n s y s 命令实现如下： p r e p 7 e l l ，m e s h 2 0 0 k e y o p t ，i ，1 ，7 k ，1 ，o0 3 l k ，2 扣1 5 6 k 3 ，0 1 5 6 0 1 2 5 k , 4 , 0 1 4 6 0 1 2 5 k ，5 0 1 4 6 ，00 1 k ，6 ，00 3 1 ，0o l a ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 a r s y m ，x ，a l l a e s i z e ，a l l ，1 0 a m e s h ，a l l s e c w r i t e x i e c h e n g f i n i s h c l e a r f p k e p t e t 1 ，b e a m l b b s e c t y p e ，1 ，b e a m ，m e s h s e c o f f s e t , c e n t s e c r e a d ，x i e c h e n g ，s e c t ，”，m e s h s e c p l o t , 11 ，e s h a p e 10 最终形成的并焊双角钢组合截面b e a m l 8 8 模型见下图2 - 4 所示。 图2 一双角钢组台藏面b e a m l 8 8 模型 n 醇_ 4b e a m l 8 8 m o d e l o f d u a l - a n g l es t e e lc o m b i n e ds e c t i o n 以上通过a n s y s 命令完成了z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座单元b e a m l 8 8 实现过程这是建立有限元模型中非常重要的一部分。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 4 井架及底座有限元模型的形成 以上详细介绍了b e a m l 8 8 单元特性，并根据命令实现了井架及底座单元截面的参 数化设置，下面将应用b e a m l 8 8 单元建立z j 9 0 6 7 5 0 d b 超深井钻机井架及底座的有限 元模型。 首先对整个钻机井架及底座的主要结构进行分析，并绘制其主体结构节点单元图， 井架节点单元图包括天车梁、左右侧扇、背扇横撑和斜撑、二层台以及人字架。底座节 点单元图包括立根盒、转盘梁、左右上座、绞车梁和底座中承。为了最终能组装井架及 底座模型，在建立节点单元图时井架及底座的坐标系要选取一致。 其次就是统计井架和底座各单元的截面参数及材料，这一步是建模中最为重要也最 为繁琐的环节，一定要细心认真。对于井架及底座各段单元按照一定的顺序要逐一对照 检查，防止新的截面参数丢失。在绘制截面形状参数时，最好在截面上标注单元坐标系 的y 轴和z 轴，其中z 轴用于建立单元时选择第三节点。定义单元前必须定义单元的属 性，即单元类别及截面号。 在建立井架及底座有限元模型时，应用命令流的方式，具体命令流见下图2 5 所示， 该方式快捷、方便，而且便于检查错误。 p r e p 7 e t ，1 ，b e a m l 8 8 & e t ，2 ，p i p e l 6 & m p ，e x ，1 ，2 1 e + 1 1 & m p ，p r x 9 ，1 ，0 8 m p ，d e n s ，1 ，7 8 5 0 & a c e l ，0 ，0 ，9 8 n ， 1 ， 一| 5 ， 一1 0 5 - 9 i t 。 2 ， 一4 2 8 ， 一1 0 5 ， 1 2 2 n。8 。 一上2 8 ， 0 日l l ， 1 2 2 ( 续) t 定义梁截面参数 $ e c t y p e ，1 。b e a m ，i & s e c o f f s e t ，c e h t s e c d a t a ，0 4 ，0 4 ，0 1 1 4 ，0