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大庆石油学院工程硕士专业学位论文 跨越抽油机基础的修井钻台研究 摘要 钻台是修井机作业时主要的工作台面。在油田开发的后期，各种修井作业不断增加， 对于占油井大部分井数的中小型( 1 2 型以下) 抽油机井，因井口距抽油机基础的距离小 于1 8 米，而抽油机基础又高出地面一段距离，并且具有一定的宽度，现有的修并钻台不 能跨跃基础摆放，必须拆除基础才能进行大修作业。对于部分大型抽油机井，可不拆除抽 油机和基础实旋大修，但也只限于修井机可垂直摆放的井场条件。拆除抽油机基础造成一 些基础在拆除的过程中损坏，并且需要投入很大的拆基础费用，特别是入冬以后，因冬季 挖不出基础，使故障井得不到修理，造成长时间的停产，严重影响了油田的生产。因此， 针对以上问题开展可跨越抽油机基础的修井机钻台的研究与设计。 本文在对现有z z t l 3 5 钻台的研究基础上，提出对该型钻台的改进设计方案，使修井 钻台在工作时能够跨越抽油机基础，以适应各种摆放条件下，使绝大多数井满足不拆除基 础进行修井作业。 本文应用有限元分析软件a n s y s 对z z t l 3 5 钻台进行静力特性分析，得到结构在工 作状态下的应力与位移等参数，确定结构的强度与刚度。根据对现有结构的改进设计方案， 建立有限元模型，对改进后的结构进行力学分析，确定结构改进后是否满足强度和刚度等 方面的要求。由于钻台在大修作业中除承受静载荷作用外还要承受多种动载荷的作用，对 改进前、后的钻台结构进行模态分析，对比结构改进前、后的固有频率和模态振型。 根据结构改进前、后的有限元静力分析结果，确定钻台部分构件在强度上存在着较大 的富裕量。钻台结构是一个空间刚架结构，制造一个钻台要耗费大量的钢材。因此，对钻 台进行结构优化设计，使其在满足强度、刚度及稳定性的前提下，具有最轻的重量，钻台 重量的减轻也有利于钻台的安装和运输。 关键词：修井钻台跨越基础结构分析模态分析优化 a b s t t a c t r e s e a r c ho fw o r k o v e rd r i l lf l o o rt h a ts p a n sp u m pu n i tb a s e a b s t r a c t d r i l lf l o o ri st h em a s t e rw o r kf l o o ri nw o r k o v e ro p e r a t i o n s i nt h el a t e rp r o c e s so fo i lf e l d e x p l o i t a t i o n , w o r k o v e ro p e r a t i o n sa r ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g p u m pu n i tw e l l sw h i c hm o d e l b e l o w1 2a r ei nt h em a j o r i t yo fa l lo i lw e l l s t h ed i s t a n c eb e t w e e ni t sp u m pu n i tf o u n d a t i o na n d t h em o u t ho ft h ew e l li sl e s st h a n1 8m e t e r s w h i l e 也ef o u n d a t i o nt o w e ra b o v et h eg r o u n da c e r t a i nd i s t a n c ea n dh a v eac e r t a i nb r e a d t h , w o r k o v e rd r i l lf l o o rc a n n o ts p a nt h ef o u n d a t i o nt o s e td o w n i no r d e rt oc a r r yo u tr e p a i rw o r k ，i ti si n e v i t a b l et ob r e a ko u tt h ef o u n d a t i o no fp u m p u n i t s o m ef o u n d a t i o n so fp a r tl a r g em o d e lp u m pu n i tn e e dn o tt ob r e a ko u t , w h e nt h ew o r k o v e r m a c h i n ep u tv e r t i c a l l yr e l a t i v et of o u n d a t i o n s o m ef o u n d a t i o n sm a yb ed e s t r o y e da tt h ep r o c e s s o f d i s a s s e m b l i n g ，a n dl a r g ee x p e n s e sw o u l d b eu s e df o rd i s a s s e m b l i n gt h ep u m pu n i tf o u n d a t i o n e s p e c i a l l yi nw i n t e rt i m e ，t h ef o u n d a t i o nc a r ln o tb ed i go u ts ot h a tt h et r o u b l ew e l l sc a nn o tb e r e p a i r e di nt i m e ，a n dc a u s es t o pp r o d u c t i o nf o ral o n gt i m e ，i tg r e a t l ye f f e c t e dt h ep r o d u c t i o no f o i lf i e l d t h e r e f o r e ，a i ma ts o l v i n gt h ep r o b l e m s ，s o m er e s e a r c hh a v eb e e nc a r r i e do u to n w o r k o v e rd r i l lf l o o rt l l a ts p a n sp u m pu n i tb a s e 1 1 1 i sp a d e rp r o p o u n d sam o d i f i c a t i o ns c h e m ef o rd r i l lf l o o ra tt h eb a s i so fr e s e a r c ho n z z t l 3 5d r i l lf l o o r t h em o d i f l c a t i o ns c h e m em a k e st h ed r i l lf l o o rs p a nm o s to fp u m pu n i t f o u n d a t i o n sw i t h o u td i f f i c u l t i e sa td i f f e r e n ts e t t i n gc o n d i t i o n s 1 k sp a p e ru s e dt h ef e as o f t w a r ea n s y s ，a n a l y z e dt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ed r i l l f l o o r , g o tt h ep a r a m e t e r sa st h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t so f t h es t r u c t u r ea tw o r kc o n d i f i o n sa n d a s c e r t a i n e dt h es t r u c t u r e si n t e n s i t ya n ds t i f i n e s s t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ra n a l y s i sh a sb e e n d o n eo nt h ef e am o d e lo ft h em o d i f i c a t i v es t r u c t u r e f o rt h es a k eo fm a k i n gs u r et h e m o d i f l c a t i v ed i l l lf l o o rw h e t h e ri f c a ns a t i s f i e dt h ed e m a n do f i n t e n s i t ya n ds t i f f n e s s b e c a u s et h ew o r k o v e rd r i l lf l o o re n d u r e sn o to n l yt h es t a t i cl o a db u ta l s os o m ek i n d so f d y n a m i cl o a d 、i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yt h r o u g hs t r u c t u r em o d ea n a l y s i sa b o u tt h ef o r m a la n d m o d i f i c a t i v ed r i l lf l o o rt oc o n t r a s tt h ei n n a t ef r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s 0 1 1t h eh a s i so ft h es t a t i cm e c h a n i c a la n a l y s i s i tw a sk n o w nt h a tp a r tc o m p o n e n t so ft h e d i l l lf l o o rh a v ee n o u g hi n t e n s i t yt os p a r e d 一1 lf l o o ri sad i m e n s i o n a lr i g i df r a m e p l e n t yo f s t e e l w e r eu s e di nm a k i n gi t o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rd r i l lf l o o rc a nh e l pt h es t r u c t u r eh a v el e s s m a l 【e r i a l sb u ta l s om e e tw i 山t h ei n t e n s i t ya n ds t i f f n e s sd e m a n d d r i l lf l o o rb e c o m el e s s i n w e i g h ti sp r o p i t i o t i st ot r a n s p o r ta n ds e t t i n g o p t i m i z a t i o nf o rd r i l lf l o o r , h a v eb e e n d o n ei nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：w o r k o v e rd r i l lf l o o r ；s p a nf o u n d a t i o n ； s t r u c t u r ea n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s o p t i m i z a t i o n 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 1 课题的提出 第1 章+ 绪论 钻台是修井机作业时主要的工作台面。其台面上用来安装转盘，存放立根和工具并在 作业时为操作提供工作空问，其台面下空间用来安装井口防喷装置。钻台主要有转盘、立 根盒、钻台本体、梯子等组成。 z z t l 3 5 型钻台是在油田修井作业中广泛使用的修井钻台，z z t l 3 5 钻台采用八立柱式 结构，转盘座、立根座为分体结构，转盘座和立根座的立柱底部分别用横梁连接，两部分 用销连接在一起构成工作平台。钻台在使用时，底部的横梁直接与地面接触，安置在地面 基础上。z z t l 3 5 钻台的总重1 8 7 5 0 k g ，使用时可利用吊车将钻台提升到工作位置。 图i - 1z z t l 3 5 钻台 f 追1 - lz z t l 3 5 d r i l lf l o o r 在油田开发的后期，各种修井作业不断增加。对于占油井大部分井数的中小型( 1 2 型以下) 抽油机井，因井口距抽油机基础的距离小于1 8 米，而钻台立柱横向方向的跨度 为3 米，同时抽油机基础又高出地面一段距离，并且具有一定的宽度，现有的修井钻台不 能跨跃抽油机基础摆放，必须要拆除抽油机基础才能进行大修作业。对于部分大型抽油机 井，可不拆抽油机和基础实施大修，但也只限于修井机与抽油机基础可垂直摆放的井场条 件。为了满足不拆除抽油机基础进行修井作业，提出对现有的钻台进行结构改进。 1 2 研究意义 拆除抽油机基础造成一些基础在拆除的过程中损坏，并且需要投入很大的拆除基础费 用，特别是入冬以后，因冬季挖不出基础，使故障井得不到修理，造成长时间的停产，严 重影响了油田的生产。因此，针对以上问题开展可跨越抽油机基础的修井钻台研究，以适 应钻台各种摆放条件下，使绝大多数油井满足不拆除基础进行修井作业的要求。 在油田开发的后期，各种修井作业不断增加，进行跨越抽油机基础的修井钻台研究， 第1 章绪论 是十分必要的。本课题的研究与工程实际密切结合，致力于解决工程实际问题。通过对跨 越抽油机基础的修井钴台的研究，可以缩短修井作业的准备时间，缩短修井周期，同时方 便现场工人操作，减少拆除抽油机基础的费用。 钻台的研究设计与有限元计算方法有密切的联系，很多先进的结构设计方法都建立在 有限元分析的基础上，通用有限元软件是进行结构分析的有力工具。本文应用通用有限元 软件a n s y s 对修井钻台进行结构静力特性分析，模态分析以及结构的优化设计。有限元 分析技术已经成为计算机辅助设计c a e 的核心。用c a e 方法可以减少或避免物理测试过 程，通过计算机模拟最恶劣载荷和工况下零件或结构的工作情况，准确地计算其应力应变， 使产品在设计阶段就能够对其数学模型的各项性能进行评估，及早发现设计上存在的问 题，从而大大缩短设计开发周期。 通过对结构进行动态特性分析，可以确定其固有振动特性，得到它的固有频率及相应 各阶频率的模态振型，找到结构在动力特性上的薄弱环节。通过修改结构，使结构动刚度 比较均匀、合理，振型趋于平缓。 有限元分析技术及其优化技术，能够改进结构计算参数，使其在满足强度和刚度的情 况下具有最合理的结构。在应用于新产品开发和老产品改造方面，能够提供对其强度、应 力分布状况的分析，利用优化设计方法对其进行形状和结构优化设计，从而在设计上提供 技术支持和理论指导。 1 3 国内外研究现状 国内对石油钻机底座的结构分析及结构优化设计始于上世纪8 0 年代，而对修井钻台 的结构分析与优化设计的研究较少。修井钻台与石油钻机底座都属于复杂的空间结构，它 们在结构上有着相近性，因此对修井钻台的研究可借鉴对钻机底座的分析研究。 修井钻台与钻机底座都是复杂的空间结构，文献【l 】、【2 】【5 】用静力有限单元法分析 钻机底座的结构，考虑了钻机底座的结构特点及地基基础的不同类型，给出了满足工程需 要的计算结果。在考虑土地基对结构静态特性的影响时，文献【1 】给出了文克尔地基模型弹 簧刚度系数k ，的计算方法。文克尔地基模型应用广泛，采用有限单元法进行底座结构分 析，地基模型简化为文克尔地基可大大简化计算过程。假定地基符合文克尔地基模型，在 垂直方向上可简化为一系列离散的土弹簧。等效弹簧刚度系数可通过地基刚度系数与基础 承载面积来确定。 钻机底座虽然主要承受静载荷的作用，但有些工况如起下钻、钻井操作、在这些工况 下产生的动载荷传递给底座，这就要求底座固有振动频率应避开频率禁区，对底座进行模 态分析和瞬态动力响应分析，研究底座的动态特性，可以防止共振的发生。文献【6 】用 a n s y s 有限元软件对南阳石油机械厂开发设计的z j 3 0 1 7 0 0 c z 轻便钻机的钻台固有振 动特性进行了分析，通过对钻台的结构分析建立了钻台固有振动分析的有限元模型，给出 了其固有振动频率计算结果，对该钻机的结构设计及使用提出了建议。 修井钻台的结构有它自身的结构特点，但其也是一种工程结构，也可以用工程结构优 化设计的基本理论设计具体的优化计算方法。因此，可以借鉴其它工程结构优化设计计算 方法用于修井钻台的结构优化。 随着计算机技术的飞速发展和数值计算方法的广泛应用，工程设计领域在设计方法和 技术创新方面有了巨大的发展和进步，这也大大推动了现代工程领域的技术进步和创新。 优化设计就是其中发展最快的设计方法之一。优化设计是2 0 世纪6 0 一年代初发展起来的一 门新兴学科，它将数学中的最优化理论与工程设计领域相结合，使人们在解决工程设计问 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 题时，可以从无数设计方案中找到最优或尽可能完善的设计方案，大大提高了工程的设计 效率和设计质量。目前，优化设计是工程设计中的一种重要方法，已经广泛于各个工程领 域航空航天、机械、船舶、交通、电子、通讯、建筑、纺织、冶金、石油、管理等， 并产生了巨大的经济效益和社会效益。特别是由于现代国家、地区和企业之间的激烈竞争， 各种原材料、能源的短缺，优化设计越来越受到人们广泛的重视，并成为2 l 世纪工程设 计人员必须掌握的一种设计方法【7 j 。 目前，对空间结构的受力分析大都采用有限元方法，使用通用有限元计算软件完成的。 文献【8 】运用有限元软件a n s y s 建立计算模型，对修井机井架进行结构设计和优化分析。 文献【9 】为了改善框架在工程实际中的应用，从减轻框架自重和简化工艺两方面着手，利用 a n s y s 中的优化模块对框架钢板厚度作了优化设计，为今后的工程设计提供了参考。在 文献 1 0 、【1 l 】中，通过建立杆系钻机底座结构优化设计的数学模型，以底座结构重量为 目标函数，把离散变量的拟满应力结构优化方法与有限元分析结合起来，应用a n s y s 有 限元软件对d z 4 5 0 9 s 双升式钻机底座的结构进行了优化设计，获得了明显的优化效果。 1 4 本文的主要研究内容 研究跨越抽油机基础的修井钻台是在对现用修井钻台的结构分析基础上，保证钻台原 有的性能参数，研究钻台跨越抽油机基础的合理设计方案，并使结构的强度、刚度以及动 态特性等参数满足设计要求。本文应用有限元分析软件a n s y s 强大的结构分析功能，并扩 展其结构优化功能，利用软件提供的a p d l 语言，对修井钻台进行结构分析及优化设计， 具体研究内容如下： 1 对在用修井钻台进行静力结构分析：按照钻台的实际结构特点，利用a n s y s 软件建 立钻台的有限元模型。钻台结构分析考虑两种载荷工况：( 1 ) 最大转盘梁载荷；( 2 ) 立根 载荷。在给钻台的有限元模型加载后，应用a n s y s 软件求解。根据所获得的计算结果对在 用钻台的静态特性做全面的分析。 2 确定钻台跨越抽油机基础的方案，进行结构分析：对抽油机距井口的安装距离及抽 油机基础相关尺寸进行统计分析，确定钻台避让基础的合理尺寸，制定钻台跨越基础的方 案，对方案进行综合评价。 3 钻台结构模态分析：建立动力分析模型，求解出钻台的各阶固有频率及振型，分析 钻台的动态特性。研究钻台框架对钻台各阶固有频率及主振型的影响，对改进后的钻台进 行结构修改。 4 制定结构优化方案，进行结构优化设计：钻台的结构类型、材料、布局、轮廓几何 形状已定，钻台的结构优化主要以结构截面的优化，支撑位置的优化。钻台结构的优化研 究内容包括： ( 1 ) 以钻台的重量为目标函数，考虑应力等约束，建立钻台的结构优化设计模型； ( 2 ) 选择合理有效的结构优化设计方法，根据钻台的结构特点，选择合适的方法对 钻台进行结构优化。 第2 章在用钻台有限元结构静力分析 第2 章在用钻台有限元结构静力分析 2 1 有限单元法 2 1 1 概述 长期以来，机械设备的分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提供的 公式来进行。由于有许多的简化条件，因而计算精度很低。为了保证设备的安全可靠运行， 常采用加大安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的 降低。现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高性能等方面发展，传 统的计算分析方法远远无法满足要求。2 0 年来，伴随着计算机技术的发展，出现了计算 机辅助工程分析这一新兴学科( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 。采用c a e 技术，即使在进 行复杂的工程分析时也无须作很多简化，并且计算速度快、精度高。常见的工程分析包括： 对质量、体积、惯性力矩、强度等的计算分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性 能分析；对产品的应力、变形等的结构分析i l 2 j 。 有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一。它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、 流体力学、热传导等领域。有限元方法是2 0 世纪6 0 年代以来发展起来的新的数值计算方 法，是计算机时代的产物。虽然有限元的概念早在2 0 世纪4 0 年代就有人提出，但由于当 时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工 程领域中不断得到深入应用，现己遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工 业，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早在上世纪7 0 年代初期就有人给出结 论：有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代 替了经验类比设计。目前，有限元法仍在不断发展，理论上不断完善，各种有限元分析程 序包的功能越来越强大，使用越来越方便。有限元法是在当今工程分析中获得最广泛应用 的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机 科学和技术的快速发展，现己成为计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 的重要组成部分。 2 1 2 基本原理 有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对 象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数 目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改 变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元方法的 基本理论要用到数学、力学方面的各种知识。对于一个应用工程师来说，他的目的是应用 有限元方法去求解各种工程问题。 从计算力学的角度来说，有限元法实际上是一种适用于一般连续体分析的矩阵分析方 法，它的物理概念和分析过程与杆件体系的矩阵分析法基本上是一致的，所不同的主要是 对于一般连续体来说，单元性能的控制方程通常无法用静力法导出，而只能通过能量法或 虚功原理近似地求得t 1 3 】。有限单元法的基本思路：根据总势能最小原则导出表示节点力和 节点位移关系的单元刚度矩阵，然后将单元刚度矩阵叠加起来，便形成该系统的总刚度矩 阵，集成整个结构的综合等效节点载荷列阵后，求解建立在整体刚度矩阵上的联立方程组， 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 得到每个节点的位移，然后再确定每个单元的应力和应变。用有限元法进行工程分析的一 般过程如图2 1 所示。 2 1 3 有限元法的计算机软件 图2 - 1 有限元分析过程 f i g 2 1t h ep r o c e s so f f e a 析程序 由于有限元法是通过计算机实现的，因此它的软件研发工作一直是和它的理论、单元 形式和算法的研究以及计算环境的演变平行发展的。从2 0 世纪5 0 年代以来，软件的发展 按目的和用途可以区分如下i j 4 】： 1 专用软件 在有限元发展的早期( 2 0 世纪5 0 6 0 年代) ，专用软件是为一定结构类型的应力分 析( 例如平面问题，轴对称问题、板壳问题) 而编制的程序。而后，专用软件更多的是研 究和发展新的离散方案、单元形式、材料模型、算法方案、结构失效评定和优化等而编制 的程序。 2 大型通用商业软件 从2 0 世纪7 0 年代开始，基于有限元法在结构线性分析方面已经成熟并被工程界广泛 采用，一批由专业软件公司研制的大型通用商业软件( 如n a s t r a n ，a s k a ，s a p ，a n s y s ， m a r c ，a b a q u s 等) 公开发行和被应用。它包含众多的单元型式、材料模型及分析功 能，并具有网格自动划分、结构分析和显示等前后处理功能。近3 0 年来，大型通用软件 的功能由线性扩展到非线性，由结构扩展到非结构( 流体、热) ，由分析计算扩展到 第2 章在用钻台有限元结构静力分析 优化设计、完整性评估，并引入基于计算机技术发展的面向对象技术，并行计算和可视化 技术等。现在大型通用软件已为工程技术界广泛应用，并成为c a d c a m 系统不可缺少的 组成部分。 2 1 ，4 a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析 软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a l g o r ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分 析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户 可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分折( 可进行线性分析、非线性分析 和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场 的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理 模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显 示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、 曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和 材料【1 5 】。 2 2 钻台结构的组成及有限元模型的建立 从总体结构来看，z z t l 3 5 钻台由转盘台、立根台两部分组成，两部分在底部通过销 连接，连为一体。两部分主体结构都是由型钢焊接而成，构成由梁和柱为主的空间杆系刚 架结构。 根据钻台的结构组成及各个框架之间的连接关系，建立钻台的有限元模型是进行钻台 结构分析的关键一步。建立钻台的有限元模型是否能够反映钻台的实际结构特点，对钻台 结构分析的精确性是有较大影响的。按照有限元法单元划分的一般原则，凡是多根梁的交 叉点、边界点、集中力作用点都应列为节点，而节点之间的梁则作为单元。按照这个原则， 根据钻台的实际结构，对其进行有限元单元划分，将梁与梁的焊接连接处取为节点，两节 点之间的梁取为单元。单元类型的选择主要考虑各个构件的尺寸大小以及承受载荷的情 况。钻台两部分在底部通过销连接。保留了绕z 轴转动自由度，在施加约束条件时，释放 该处绕z 方向的转动自由度。钻台底部与地面接触按弹性地基考虑，用a n s y s 软件库中 的弹簧单元来模拟弹性基础。地基弹簧单元的个数是根据基础的形式与地基的接触面积确 定的。地基弹簧的刚度系数由地基的抗压刚度系数和底部相应部分与地基的接触面积计算 确定。为模拟钻台与弹性地基的相互作用关系，对弹簧的一端节点的自由度全部约束，与 钻台底层相连的节点固定其在x 和y 方向的自由度，即仅保留该点竖直方向的位移自由 度。钻台的8 个立柱为圆钢，简化为a n s y s 管单元，其余构件简化为梁单元。 1 管单元 管单元选用p i p e l 6 ，本单元以三维梁单元( b e a m 4 ) 为基础，并包含了用于处理管 的对称性和标准管几何尺寸的专用特性。p i p e l 6 是一个轴向拉压、扭转和弯曲单元，单 元的每个节点有6 个自由度：沿节点坐标系的x 、y 、z 方向的平动和绕x 、y 、z 轴的转动。 图2 2 是本单元的示意图。 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 图2 - 2 弹性直管 f i g 2 - 2e l a s t i cs t r a i g h tp i p e 2 梁单元 在有限元分析模型中，梁单元采用a n s y s 软件单元库中的b e a m l 8 9 单元。b e a m l 8 9 单元基于t i m o s h e n k o 梁理论构建，包括了剪切变形的影响，出色的截面数据定义功能和 可视化特性。 梁单元是用于生成三维结构的一维理想化数学模型。三维梁单元是具有拉伸、压缩、 扭转和弯曲功能的单轴单元。在每个节点上单元具有6 个自由度，即沿x ，y ，z 轴的移动， 以及绕x ，y ，z 轴的转动。 从空间结构中任取一杆件i - j ，如图2 3 ，在该杆件上建立局部坐标系x y z ，x 沿单元的 纵轴，y 轴和z 轴分别为横截面的两个主惯性轴【i “。 图2 - 3 三维梁单元 f i g 2 - 33 - d b e a me l e m e n t 单元节点位移向量为 试= lv lw le ，e ，e i ：u j v i w z 0 ne ，e 0 相应的节点载荷向量为 p 。= 【心鲂q 瓦蚝m n 吆q j 靠 也】r ( 2 一i ) ( 2 2 ) 7 ，l 第2 章在用钻台有限元结构静力分析 式中，。，以单元轴向力 婊，q 0 单元节点y 方向剪力； 皱，既单元节点z 方向剪力； 瓦，以单元节点扭矩； m ，m ，绕z 轴弯矩； m 。，m ，绕y 轴弯矩。 由虚功原理得到梁单元的刚度矩阵 嘲。= 川 ， o ! 型5 ，( 1 + v ) oo 旦 ooo 旦，三 。丽6 f y 。等 对称 。彘。莆 一半 oo ooo 孚 o 粤o oo 一旦。粤 ，o + v )1 2 ( 1 + b )，o + b ) 。一毒翌o # l ooo 粤 oo 一盟一o o0o9 ”o 蝴生。 一睾 。 半 ：熹一可6 e l y 。0 了( 2 - # 2 ) e l y 亲一0 南0 嘶，而6 e ：y 石0 6 e - 。z。警萧。惫。莆一南训。萧 其中，丸，彬为剪切影响系数，分别为 。1 2 e i ： 办2 面 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 妒：1 彳2 e _ l 万y ( 2 - 5 ) 丸。面芦 式中，a ，、爿：为有效剪切面积，用爿，统一表示彳，、a ：，则有效剪切面积的计算公 式为 小晏 ( 2 - 6 ) 其中，k 为剪切系数，它反映了截面上剪切力分布的不均匀性，对于典型截面的剪切 系数k 的计算公式可查阅有关手册【1 7 i 。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ，、：分别为横截面绕y 、z 轴的转动惯量，分别为 j ，= f z 2 d a( 2 7 ) l = 陟2 d a( 2 - 8 ) 钻台框架大部分采用工字钢焊接，工字钢截面形式如图2 4 。利用b e a m l 8 9 梁单元 出色的截面数据定义功能，在前处理建模过程中，只需输入截面的相关尺寸，程序自动计 算截面的转动惯量。 图2 - 4 框架梁截面形式 f i g 2 - 4s e c t i o nt y p e 通过建立空间梁单元的刚度矩阵，单元的节点载荷和节点位移之间的关系可表示为 【k 】。 “) 。= p ) 。( 2 9 ) 最后通过坐标转换得到单元在整体坐标系的单元刚度矩阵，由单元刚度矩阵按照结构 刚度矩阵的合成原理，就可以得到结构的平衡方程，进行整体求解。 3 地基简化 钻台承受各种工作载荷和自身自重时，通过钻台的底部的横梁将载荷传递给地基，地 基的强度和刚度对钻台的静力特性有较大的影响，尤其是对钻台的变形影响更大。对钻台 进行结构分析就涉及到地基模型的简化。简化地基模型必须满足两个方面的要求l l l j ：一是 地基模型要符合实际情况，不影响结构分析的准确性；二是简化出来的地基模型能够方便 有限元计算。根据有关文献，按照计算目的、计算方法及计算所采用的程序不同，被采用 的地基模型主要有三种。第一种是有限压缩层地基模型1 5 】，这一类地基模型采用弹塑性力 学的分析方法，对地基进行了精确分析，但无法采用通用程序，计算效率低。第二种是选 用弹簧单元来模拟弹性地基【1 8 】，假定地基符合文克尔假设，在垂直地基上可以简化为互不 相干的土弹簧，弹簧刚度可通过地基刚度系数与基础承载面积来确定。其它两个方向上的 弹簧可不考虑，即让其它两个方向上弹簧刚度为零。选择此类型的地基模型比较适合使用 通过有限元程序。第三种地基模型【2 】是弹性杆模型，这类地基模型同样采用了文克尔弹性 地基假设，先是将弹性地基用一系列独立的土弹簧代替，外载荷作用于钻台结构通过底部 压缩土弹簧，土弹簧的个数根据基础的类型和基础的面积确定。在进行有限元计算时，再 将土弹簧按等效刚度原则转化为弹性杆。 钻台直接放置在基础上，载荷传给地基，因此分析钻台必须综合考虑钻台一地基整个 系统的联合作用。土地基在没有达到足够的硬度之前，不能对上部钻台结构产生足够的反 力，它就沉陷，从而使整个的上部结构产生一定的下沉位移，直到土地基的反力与结构作 第2 章在用钻台有限元结构静力分析 用力平衡为止。土地基的下沉为非线性压缩变形，将这个非线性过程线性化，即可得到文 克尔弹性地基。文克尔弹性地基的局部作用可由土弹簧代替，整个地基作用可以看成是一 系列的土弹簧支承基础和结构。土弹簧的刚度系数为 k ，= c ：e ( 2 一1 0 ) 式中，c ：地基抗压刚度系数，按表2 - 1 选取【1 9 】； f 第i 个弹簧处，基础承载面积。 表2 - 1 天然构造- + - 割5 弹性地基刚度系数e 地基土的计算强度( n c m 2 )弹性地基刚度系数( k n m 3 ) 1 4 7 2 9 4 0 0 3 4 35 8 8 0 0 5 4 09 8 0 0 0 期龄在二年以上的填土 1 4 7 0 0 2 9 4 0 0 本文采用a n s y s 有限元程序进行计算，对钻台进行结构分析，为方便计算采用第二 种地基模型。把弹性地基用一系列独立的弹簧代替，选用弹簧类型为c o m b i n l 4 。 c o m b i n l 4 单元在一维二维或三维应用中有轴向拉压的或扭转的能力，单元结构如 图2 5 所示。 图2 - 5 弹簧单元 f i g 2 - 5c o m b i n l 4g e o m e t r y 2 3 钻台的静力特性分析 建立了钻台的有限元模型，在对钻台模型设定边界条件，施加载荷后，就可以对模型 进行求解。 2 3 1 加载与求解 根据对钻台可能承受载荷的分析，钻台的静力结构分析主要考虑最大转盘梁载荷以及 立根台的立根载荷。最大转盘梁载荷为最大套管柱重量以及转盘自身的自重，最大套管柱 重量按钻台的最大额定载荷取为1 7 5 0 k n ，转盘的自重取为4 0 k n 。根据现场提供的资料， 1 0 。工 x 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 钻台的立根台载荷取为8 0 0 k n 。根据以上取定的载荷对钻台的有限元模型施加载荷。 z z t l 3 5 钻台的基本性能参数见表2 2 所示。 袁2 - 2z z t l 3 5 钻台基和| 生能参数 t a b l e2 - 2c a p a b i l i t yp a r a m e t e r so f z z t l 3 5d r i l lf l o o r 最大额定载荷1 7 5 0 立根容量5 。钻杆2 0 根 钻台高度 3 5 m 钻台净空高度2 0 5 m 质量 1 8 7 5 0 k g 对钻台模型旌加载荷的位置要考虑到各构件的实际受力情况。最大转盘梁载荷是通过 转盘施加在转盘梁上的，在钻台模型上将1 7 9 0 k n 载荷按均布载荷施加在转盘梁单元上。 立根台的立根载荷8 0 0 k n 也按均布力旌加在立根台的顶部横梁上。钻台的自重用程序命令 直接施加。结构加载后的模型如图2 - 6 所示。 图2 6 有限元计算模型 f i g 2 - 6m o d a lo f f e a 2 3 2 钻台主要构件的结构参数 表2 - 3 所列钻台主要构件的截面尺寸及所用材料。 表2 - 3 钻台主要构件的截面尺寸及材料 t a b l e2 - 3s e c t i o nt y p e sa n dm a t e r i a l sa b o u tt h em a i nf l a m eo f t h ed r i l lf l o o r 截面尺寸材料 钻台立柱 中2 1 9 2 01 6 m n 立根台立柱 2 1 9 1 41 6 m n 转盘梁工字钢4 0 c 1 6 m n 斜支撑中1 0 2 81 6 m n 上层梁工字钢3 2 a1 6 m n 兰! 兰垄曼笪鱼互里垂堕塑壁塑坌塑 中间梁 工字钢3 2 a1 6 m n 底层梁 工字钢3 2 a i 1 6 m n z z t l 3 5 钻台总体高度3 5 m ，构件材料为1 6 m n 钢，许用应力为2 3 0 m p a 。钻台主要 采用了圆钢和工字钢两种标准型钢。 2 4 计算结果及分析 在建立模型和对模型加载完成后，应用a n s y s 软件进行计算，得到模型中各单元内 力、应力值及各节点的位移值。 2 4 1 强度分析 1 转盘梁部分 图2 7 为钻台整体的应力图，从图中可以看出转盘梁处的应力最大。转盘梁是直接承 受最大转盘梁载荷的框架，它位于钻台中部具有一定的跨度，是钻台上最有可能发生破坏 的框架：转盘梁部分应力显示如图2 8 所示。转盘梁部分结构受力比较均匀，但其应力水 平明显比其它部分的单元高出许多，转盘梁处最大应力达到2 2 6 m p a ，位于转盘梁与钻台 前部横梁的相连处。从转盘梁处的应力水平来看，基本发挥了材料的潜力。 图2 7 钻台整体应力图 f i g 2 - 7s t r e s sp l o to f d r i l l i n gf l o o r 图2 - 8 转盘梁应力图 f i g 2 - 8s t r e s sp l o to f t u r n t a b l eg i r d e r 2 立根台 立根台用于存放钻柱，立根载荷按8 0 0 k n 考虑。立根台与转盘部分为分体结构，在底 部通过销与转盘部分相连，最大转盘梁载荷对立根台的应力水平影响很小。钻台立根台整 体受力较转盘处小，最大应力位于斜支撑与立柱相连处，最大应力值为11 3 m p a ，立根台 整体应力如图2 - 9 所示。在立根台的应力分布中，顶层横梁、立柱以及斜支撑为结构的主 要受力构件，应力分布比较均匀。在四个立柱之间的中间四个横梁，受力较小，该处的强 度具有较大的富裕量。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 图2 - 9 立根台整体应力图 f i g 2 - 9s t r e s sp l o to f s t a n d sf l o o r 图2 - 1 0 部分单元编号 f i g 2 - 1 0n u m b e r so f p a r te l e m e n t s 3 钻台立柱 钻台两部分八个立柱用来支撑钻台，基本上钻台上各种设备的载荷以及工作载荷都是 由立柱承担，这八个立柱是钻台的最关键框架，它们的强度、刚度直接影响钻台的使用安 全。图2 1 0 所示为钴台部分单元编号，其中立柱部分单元的编号如图。表2 4 、表2 - 5 为转盘部分与立根台部分立柱单元上的最大应力。 表2 - 4 转盘台立柱应力( m p a ) t a b l e2 - 4s t r e s so f p i l l a r s 表2 - 5 立根台立柱应力( i i p a ) t a b l e2 - 5s t r e s so fp i l i a r s 单元编号 7891 01 11 21 31 4 应力 6 49 91 0 06 46 41 0 06 4 9 9 最大转盘梁载荷施加在转盘梁上，转盘梁通过两根横梁与立柱相连，因此转盘台处的 立柱承受压应力较立根台立柱大，最大值为2 0 8 m p a ，立根台四个立柱最大应力为1 0 0 m p a ， 两部分立柱均满足强度要求。 4 斜支撑、底层横梁 立根台上层横梁与中间横梁之间采用了斜支撑进行加强，整个立根台部分的斜支撑受 力比较均匀，最大应力11 3 m p a ，是立根台部分结构的受力最大构件，因此斜支撑的作用 是相当大的。 钻台最底部的横梁为整个钻台的基础，要承受钻台全部的重量和工作载荷，同时与地 基直接接触，必须有足够的强度和剐度。钻台底部横梁受力如图2 - 1 1 所示。从图中可以 看出，转盘台与立根台相连接处的应力最大，最大应力仅为1 6 6 m p a ，其余部分的受力比 较均匀，由此可见将底部部分横梁提升避让基础，对结构的强度不会有很大影响。 第2 章在用钻台有限元结构静力分析 图2 - 1 1 钻台底层横梁应力图 f i g 2 - 11s t r e s sp l o to f t h eb o t t o mb e a m s 2 4 2 刚度分析 图2 - 1 2 钻台整体位移图 f i g 2 - 1 2d i s p l a c e m e n tp l o to f d r i l lf l o o r 结构在各种载荷的作用下，必然会发生变形，钻台不同部分的变形量有较大的差别，