前开口钻井井架设计论文.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文）前开口钻井井架设计摘 要：井架是石油钻井设备中重要的设备，它在钻井过程中用于安放和悬挂天车，游车，大钩等起升设备与工具，以及起下、存放钻杆、油管或抽油管。在泛调研当前钻井井架发展状况的基础后，确定了前开口井架的结构形式。本次设计井架总体结构采用五段焊接件，用圆锥销连接，既具有良好的移运性，又便于现场安装。随后确定了三种井架工况组合，综合应用相关力学方面的知识对各种工况下的载荷进行分析计算，得出井架所受的载荷，建立井架分析的力学模型。根据结构有限元分析的要求，对井架进行网格剖分，用ANSYS软件进行计算，计算结果表明，井架的强度、刚度满足设计要求。最后进行井架整体结构稳定性校核和销轴与耳板校核。关键词：前开口井架、结构有限元分析、钻井设备Hatched In The Front Derrick DesignAbstract：Derrick is one of the most important equipment in drilling machine.After the widespread investigation and study current well drilling development condition, has determined the derrick K structural style. this design derrick overall structure uses five sections of weldments, with conform forelock joint, both has the good portage nature, and is advantageous for the scene installment. According to the API standard and the national standard, had determined three kind of derricks operating modes combination, carries on the analysis computation each kind of operating mode load, obtains the derrick to received the load, establishes mechanics model which the derrick analyzes. According to the structure finite element analysis request, carries on the grid to the derrick to cut in half, carries on the computation with ANSYS software, the computed result indicated, the derrick intensity, the rigidity satisfy the design request. Finally carries on the derrick overall construction stability examination and sells the axis auricle examination. Key words: hatched in the front derrick, finite element analysis, drilling machine目 录第一章 绪 论1第二章 井架的结构方案52.1 井架的结构设计52.2 井架杆件的截面选择62.3 井架材料的选择72.4 井架各杆件几何尺寸的确定72.5 井架整体框架结构的确定9第三章 载荷分析与计算103.1 井架载荷基本定义及其计算方法103.2 井架的载荷组成12第四章 井架的强度、刚度分析计算164.1 ANSYS软件简介164.2 有限元分析方法的基本思想和分析步骤174.3 有限元法分析井架的基本原理184.4 井架结构有限元静力分析184.5 节点、载荷的计算204.6 ANSYS5.4程序的数据输入28第五章 井架的稳定性校核455.1 井架整体稳定性校核455.2 绕X轴的整体稳定性校核455.3 绕y轴的整体稳定性校核47第六章 井架连接处销轴、耳板的设计及强度校核计算496.1 井架与井架底座连接处销轴与耳板的设计及强度校核496.2 人字架与井架主体连接处销轴与耳板的设计及强度校核516.3 井架各主体的销轴、耳板的设计及强度校核53小结55参考文献56致 谢5757第一章 绪 论石油和天然气是宝贵的能源和化工原料，是现代经济的“血液”，是当今最重要的能源之一。它与人们的衣食住行密切相关，它是衡量一个国家综合实力的标准，它能够影响一个国家或地区的发展，直接影响到国民经济的稳定，更能导致一个国家或地区政治经济的安定。它们埋藏在地下几百米、上千米甚至超过万米的岩层中。为了寻找油气藏，开采石油天然气，需要钻井，需要一整套俗称钻机的钻井机械及设备。而钻井井架又是石油钻机的重要组成部分，用于安放天车、游车大钩等起升设备与工具，承受起下钻、下套管及其他作业产生的载荷，提供起下钻及存放管柱操作的高度与空间，是一大型复杂的金属钢架结构，其杆件多、受力复杂，。近年来，随着不同地貌条件和地质条件下的油气天的勘探开发，以及钻井深度的不断增加，国内外正在不断地设计功能更强、自动化程度更高的各种钻机，这对井架的强度、刚度及稳定性的要求会越来越高，同时提高可靠性，降低成本，对井架进行优化设计变的越来越重要，因此针对这种现状本文将对此进行设计研究井架结构组成1）井架主体：空间桁架结构，是承受载荷的支柱和安放其他设备的基础，通常上部截面小，下部截面大，钢件之间采用焊接或螺栓连接；2）天车台：用于安置天车和天车架，位于井架顶部；3）二层台：包括井架工进行起下操作的二层台，以及存靠立根的指梁；4）立管平台：固定立管和安装、拆卸水龙带的工作平台；5）工作梯：井架工上下井架的通道；6）天车架：安装和维修天车之用 7）人字架：起落井架之用，起升后作为井架整体的一部分；井架的基本类型目前国内外钻机井架主要有塔型、前开口型、A型、桅型等结构形式，其主要特点如下：1. 塔型井架特征：1）井架本体是封闭的整体结构，整体稳定性好，承载能力大；2）整个井架是由单个构件用螺栓连接而成的可拆结构。优点：井架尺寸可不受运输条件限制，允许井架内部空间大，起下操作方便、安全；缺点：单件拆装工作量大，高空作业，不安全。2. 前开口（形）井架特征：1）整个井架本体分成45段，一般各段为焊接的整体结构，段间采用锥销定位、螺栓联接，地面或接近地面水平安装，整体起放，分段运输；2）受运输尺寸限制，井架本体截面尺寸比塔型井架小；3）采用人字架起升，之后人字架成为井架本体的一部分；4）一般采用液压千斤顶调整井架位置，对正井眼中心。 优点：水平拆装，整体起放，分段运输，运移性好。缺点：承载能力和总体稳定性相对于塔型井架略有下降，内部空间比塔型井架小。3. A形井架特征：1）两根大腿通过天车台、二层台及附加杆件连成“A”字形采用撑杆或人字架支撑；整个井架在地面或接近地面水平组装，整体起放，分段运输；2）大腿可以是空间杆件结构或管柱式结构，其断面依所选用型材不同，一般分为矩形（角钢）和三角形（管材）优点：A形井架的每根大腿都是封闭的整体结构，承载能力和稳定性好。缺点：因仅有两腿，且腿间联系较弱，井架整体稳定性不理想。 4. 桅形井架由一节或几节杆件结构或管柱结构组成的单柱式井架，有整体式和伸缩式两种；一般采用液缸或绞车整体起放，整体或分段运输；工作时向井口方向倾斜，需利用绷绳保持其结构的稳定性；结构简单、轻便，一般只用于车装轻便钻机和修井机（承载能力小）。例如：XJ250修井机用的就是形伸缩式桅形井架。5. 动力井架安装于海上浮式钻井装置上，因设计计算时必须计入动力载荷，通称为动力井架；一般是塔架或前开口井架，必须有控制游车运行的导轨。井架的基本参数井架的基本特性参数主要包括最大钩载、井架高度、二层台容量、井架的抗风能力及理论自重等。1 最大钩载最大钩载是修井机的主参数。井架的最大钩载是指定绳固定在指定位置，用规定的修井绳数，在没有风载和立根载荷的前提下，井架所能承受大钩的最大起重量。在此最大钩载中包括游车、大钩和游绳的重量，这一参数表明井架承受垂直载荷的能力。2 井架高度井架高度指的是井架大腿支脚底板底面到天车梁底面的垂直距离，但这个参数并不能完全反映井架提供游动系统操作空间高度的指标。为了表明游动系统可上下运动的空间，规定了井架的有效高度，其定义为:钻台面到天车梁底面的垂直距离。3 二层台容量二层台容量是指在二层台内所能靠放的钻杆、油管的数量，通常以一定尺寸的钻杆、油管的总长度表示。二层台指梁应能满足存放钻进到名义井深时所需要规定尺寸的全部立根，所以二层台容量主要取决于指梁的包围面积S，在指梁高度确定后，有效面积S就可根据所要存放的立根数和钻杆直径(取接头直径)计算确定。考虑处理事故及附加作业需要，应在理论计算的基础上增大15%。4 井架的最大抗风能力 井架的最大抗风能力是指井架在一定工况下抵抗最大风载荷的能力，常用Km/h表示。井架的国内外研究现状 本世纪初到40年代，世界上几乎全部石油钻机都采用塔形井架。这种井架的安装和搬迁工作量大，高空作业危险性大，因此逐渐趋于被淘汰的境地。，但从70年代以来随着海洋钻采工程的发展，这种井架又显示出承载能力大、稳定性好的优势，在当代海洋钻井中己占绝对优势。A形井架是美国艾迪科公司在1948年开始研制的一种自升式井架。由于具有视野开阔、钻台空间大、整套井架低位水平安装及整体起升等优点，这种井架很快被广泛采用。美国李西莫尔公司在1939年研制出K型井架后，即被各国钻井公司广泛采用.美国十多家井架制造公司生产这种井架。当前世界上从事钻机井架生产的国家除俄罗斯、罗马尼亚及西德部分生产A形井架外，其余国家的陆地井架全部为K形井架。70年代以前高位装K形井架独占鳌头。但70年代以后低位装K形并架发展很快，并出现了与之配套的旋升式底座，井架在钻台下面的部分为井架和底座所共用。这类井架目前在超深井钻机中使用数量最多。劝年代以后随着弹弓式底座的出现和广泛使用，与之配套的高位装K形井架的比例又有所增加。车装钻机的优点是重量轻，搬迁快，在国外发展很快。据统计，美国的车装钻机占全部中小型钻机的35%。随着钻并一艺的发展，车装钻机被大量采用己成定局，与之配套的桅形井架也将被更广泛地使用。目前，国外井架正向高钻台、低位安装、整体起升、重量轻、移运性好和车装化方向发展，同时提高可靠性，降低成本，确保快速钻井也是井架的设计原则。顶部驱动装置系列国外已广泛用于海上钻井，近年来陆油田也推广很快。还出现了一些新的钻机井架;如新型的沙漠钻机井架，意大利的新型小井眼钻机阅等适合于特殊环境使用的钻机井架及底座。国内50年代开始制造塔型井架，由于存在安装中高空作业多、危险性大等致命缺陷，这种井架堕待改进。国内自60年代开始制造A形井架，如AD-型井架等。较大规模的应用是从 1 979年试制JJ315/43，A井架开始的，该型井架与7J45钻机相配套已有95套。自1981年仿制了与by-40钻机配套的第一套K形井架后，十多年来我国K形井架发展很快，先后研制并配套1500m，2000m，3200m，4500m及6000m五个级别钻机的K形井架共18种。国内于60年代初开始生产，只生产桅形修井井架，如18m和29m修井井架等。在80年代中期开始研制桅形钻井井架，迄今仅生产出4套，分别与65B车装钻机和我国第一台斜井钻机配套使用。目前，国内的陆地应用的塔形井架己基本很少应用;A形井架的优点是低位安装，整体起升，司钻视野宽，组焊大腿为桥式静定结构，稳定性好，重量较轻，目前油田的应用还比较多；K型井架的优点是低位安装，整体起升，总体刚性好，制造成本低，移运时需要车辆少，便于维修，安装顶驱装置较方便，所以K型井架目前在油田的应用最广。国内也研制了一些新型井架，如套装伸缩式钻机井架、液压油缸起升式井架、新型车载式作业井架等，也都是以K型井架为主。设计的主要内容本次设计的任务是前开口钻井井架的设计，由于前开口井架具有地位安装，整体起升，总体刚性好，制造成本低，移运时需要车辆少，便于维修，安装顶驱较方便等优点，前开口型井架目前在油田得到了广泛应用，因此要保证在新设计的井架正常工作，本设计的主要内容是对井架结构的方案分析设计，对其进行载荷分析及简化处理，确定各杆件及连接件的材料及截面尺寸，通过有限元对其进行强度、刚度及稳定性计算，最后进行校核计算。所采用的方法、手段以及步骤等 因大多数钻机载荷受钻井工艺复杂性的影响，具有一定程度的不确定性。对井架的结构通常有各种不同类型的破坏，如杆件或构件的局部破坏、整体结构的破坏等。因而在设计计算中需要考虑不同的计算规定。然后根据已有参数进行井架的载荷计算，随后进行井架的材料与结构的设计，接下来进行井架的静力和稳定性计算，其主要用到的方法通过计算机进行有限元分析法。第二章 井架的结构方案2.1 井架的结构设计井架外形的确定井架的结构形式主要表现在立面形式及腹板的布置形式，井架的外形主要取决于井架工作条件和制造的工艺，常见的有梯形和矩形俩种。梯形外形用于塔形井架，矩形外形用于A型井架和桅型井架，梯形上小下大，稳定性好，承载能力强，所以一般井架在可能的情况下，都采用梯形，K型井架和A型井架需要利用钻机自身动力起放，这俩种井架都是在底部用销轴与底座连接在一起的，起放井架时，井架体应绕底部销轴旋转90度，这样侧面若采用梯形，结构上难以处理。所以侧面为矩形，矩形加工方便，杆件端点固定后，结构稳定性好，正面由于不用旋转采用梯形以提高承载能力。井架腹杆形式的确定 井架斜撑的布置方式对井架的强度、刚度和稳定性有很大的影响。故接下来将重点讨论几种井架斜撑的布置方式。井架侧面斜撑布置有平行式和波浪式两种。井架背面斜撑布置有4种形式,即平行式、波浪式、平行人字形、交叉人字形(如图2-1所示)。 图 2-1 结构形式的好坏与其受力相关联。在大钩载荷作用下,井架大腿和背面、侧面斜撑均受压应力。)对于平行式结构,两斜撑压应力在水平方向上的分力(图1a中p)在横撑上相互抵消,两斜撑又同时分担了两边大腿的压力,使两边大腿应力既均匀又不产生附加弯曲应力,从而致使应力状况变得较为合理。因此,对井架结构而言,平行式结构比波浪式结构好。)对波浪式结构而言,其斜撑压应力在水平方向上的分力(如图1b中p)垂直作用于大腿,使大腿产生弯曲应力。同时,两斜撑分担了一边大腿的压应力,而不减小另一边大腿的压应力,使得两边大腿应力不均匀。因此,这种结构形式不仅不能有效地分担大腿的压应力,反而使大腿产生弯曲应力。c)平行人字形结构斜撑压力在竖直方向上的分力(图1c中p)垂直作用于横撑上,使横撑形成一个简支梁,从而产生弯曲变形。由于杆件的弯曲刚度比拉压刚度小得多,这样斜撑就起不到多大的作用。而且,斜撑作用于横撑的力使横撑产生的弯矩(图1c中M)传递到大腿上,增大了大腿的应力。d)对于交叉人字形结构,斜撑上的压力在横撑上的垂直分力上下抵消,就不产生弯矩。同时在垂直方向上的刚度大,斜撑能够产生较大的压力,分担了大腿上一部分压力,因此,交叉人字形结构比平行人字形结构好。但是,交叉人字形结构与平行式结构相比,平行式结构则结构简洁、节省材料、制造简单。图种、三种刚度大，制造和安装的工艺性较差，多用于塔形井架，图常用于型和型井架，斜杆的倾角一般在度之间，本设计确定的井架的外形如本章最后图所示。2.2 井架杆件的截面选择井架中的各种杆件往往都是由各种型材制成的，有单一型材杆件，也有复合型材杆件。常用的杆件截面如下：1.角钢式可分为单角刚和双角钢俩种，但角钢的截面不对称，各相稳定性不相等，承载有偏心，多用于A型井架。为了避免这些缺点而出现了双角钢式，但它制造较复杂，拆装工作量大，不易防腐。2.槽钢式可分为单槽钢和双槽钢俩种，前者常用宽度加大的特质槽钢；而后者可用普通标准槽钢拼成正方形或矩形断面，其稳定性较好，但制造较复杂。3钢管式钢管的断面具有几何形状对称，各向稳定性相等的特点，而且在断面积相等的情况下，其惯性半径最小。因此，采用钢管做杆件结构，其节间长度可增大。圆形断面还具有良好的空气动性能，产生的风阻也小，便于涂漆防腐蚀。壁厚可做的很薄，一般壁厚不能小于其宽度的二十分之一，但一般选用的壁厚不小于4mm,以防运输安装时变形，管材成本与其他型钢比，大约为1.5：1，因而其材料利用更加合理。4，工字钢式工字钢井架承载能力大，不足之处是工字钢腹板方向弱，尤其是在起升时挠度大，是最危险工况，杆件允许的长细比小，因此腹杆布置密集，井架重量大。5.H型钢H型钢的抗弯惯性矩比较大，抗弯刚度较强。本井架具体所选截面形式见本章2.42.3 井架材料的选择井架基本构件常用的钢材主要是普通碳素机构钢A3和普通低合金结构钢16Mn。这俩种钢材的许用应力可以在有关的设计手册种查到。由于16Mn钢的许用应力比A3钢高的多，这对于那些受强度控制的构件（如各种拉力构件和中小细长比的压杆）特别有利。因为他的强度高，所以，在承受同样载荷的情况下，可采用较小尺寸的构件，这样不仅可以减少风阻，而且还可以节省钢材，减轻重量，从而使井架的制造、安装成本降低。此外16Mn钢抗大气腐蚀的能力也比较高，并可以在较低的温度条件下工作。因此，本设计选用16Mn。2.4 井架各杆件几何尺寸的确定2.4.1弦杆尺寸的确定假定井架在最大钩载时，全部载荷平均作用在四根弦杆上，根据石油钻采机械上表9-15查的16Mn的抗拉、抗压、抗弯曲许用应力为【】=240MPa。4Q=2300KN则Q=575KN由公式Q/A得A考虑到井架的自重、天车重量、快死绳拉力的垂直分力，以及风载等因素，同时，为了确保井架的安全，应选用截面面积大于的H型钢，由机械设计手册第一卷查得，选用型号如下：井架下部弦杆：400*400H型钢A=165 H=400mm h=368mm b=400mm d=10mm t=16mm井架上部弦杆：400*400H型钢A=133 H=400mm h=368mm b=300mm d=10mm t=16mm2.4.2其他杆件尺寸的确定综合考虑材料的经济性与安全性，查机械设计手册卷一，确定井架其他杆件尺寸如下：人字架大腿 400*400H型钢A=203 H=400mm h=300mm b=400mm d=12mm t=20mm主面横杆 300*300H型钢A=123 H=300mm h=268mm b=300mm d=10mm t=16mm主面斜杆 圆钢A=78.54 侧面横杆 350*175H型钢A=54.8 H=350mm h=330mm b=175mm d=6mm t=10mm侧面斜杆 32C槽钢A=61.313 h=320mm b=92mm d=12mm 主面斜杆 圆钢A=254.47 2.5 井架整体框架结构的确定2.5.1井架基本尺寸的确定1井架的有效高度 41m2二层台高度 26m3上底尺寸 1.5*3.26m4下底尺寸 9m5人字架跨距 6m2.5.2井架结构尺寸的确定 本设计整个结构由五段焊接件焊接而成，用销子连接，其外形尺寸如下图所示： 图2-2第三章 载荷分析与计算3.1 井架载荷基本定义及其计算方法 为了正确设计和使用井架，保证安全工作，首先，必须分析井架的受力状况，计算井架外载荷，并根据外载荷计算核对井架各构件和整体的强度和稳定性。本设计引用API对井架载荷进行定义和计算。3.1.1 井架的结构静载井架的结构静载主要是井架构件本身的重量以及安放在井架上面的各种设备和工具的重量，主要设备是天车、游车、大钩、吊钳、钢丝绳及顶部驱动装置。3.1.2 大钩最大静载指死绳固定在制定位置时，在没有任何立根载荷或者风载的情况下，包括游动滑车和大钩重量在内的大钩最大负荷能力，这就是说大钩静载，不仅包括最大起重重量，而且包括游车和大钩的重量。=（1.92.4）Q+GQ-额定井深的最大钻柱重量G-游动滑车和大钩的重量（本设计中=2300KN。）3.1.3风载指风从任意方向吹过时，对井架构件上所有外露构件（包括迎风面和背风面以及立根承风面）作用的结果。风 载 F=P*A P-风压（PA） A-固定在垂直流速方向的投影面积（）根据SY5077-85： P=0.613 V-风速 -环流系数，对井架取1.25-风压高度系数按下表选取表3-1 离地面高度（m）510203040500.781.001.251.411.541.63风向选取与井架承风面承45度方向为危险面。风载结果见附录3.1.4 立根载荷立根载荷是在钻井过程中靠放在钻台上的立根对井架、底座产生的作用力。由立根自重及立根排所受风载（风载的大小与最大承风面积有关）引起的立根载荷，它通过二层台指梁按水平方向作用到井架相应节点上。设表示立根的水平靠力，表示立根总重，L表示立根的长度，H表示二层台指梁的高度，表示立根与钻台垂直平面的夹角（一般取小于3度）则有H=1/2Lsin本设计中取=3度，则有=1/2tan =0.5q*L*N*tan=0.5*32*27*3200/27*tan27*9.81=26.32KN式中 q-单位长度立根的重量。取q=32kg/m N-立根数 L-立根长度。取L=27m3.1.5 快绳和死绳拉力的垂直分力P考虑到快绳和死绳与垂直方向的夹角很小，可近似认为二者拉力相等。式中 -钻机最大起重重量（N） -游动系统总重（N）-游动系数效率 API推荐使用0.77查石油钻采机械表2-3，游动系数采用6*7结构，则有效绳数n=12，则：=727.3KN3.2 井架的载荷组成 井架所受的载荷不仅随工作阶段的不同而异，而且同环境因素有关，在特殊恶劣的环境下有时是可以暂停某些工作。因此，就有工作阶段与环境变化的组合问题。如以最重的载荷与最坏的工作条件同时出现为设计依据，则在正常工作条件下，该井架必然过于笨重而不够经济合理，所以，在设计计算时，必须合理选定几种载荷组合情况作为井架的载荷组成作为井架的计算载荷，再根据他们来进行井架的设计计算。在选定载荷组合时，既要满足使用要求之前提下，保证井架的工作安全可靠，又要充分考虑到井架的经济合理性。根据大量的实践经验，推荐井架的计算载荷选用三种组合，（1）井架处于工作状态（无风载、无立根、最大静载荷）考虑井架在额定最大井深条件下起钻，井架承受最大垂直载荷，此时计算载荷包括：1.大钩最大载荷=2300KN2.井架静载荷取*0.1=230KN3.快绳和死绳拉力垂直分力，它们通过天车台作用在井架上,在此忽略不计。则 作用在井架顶上的最大垂直载荷为：F=2300+230=2530KN（2）停钻工况（满立根、无钩载、风速小于36m/S）考虑在额定井深的情况下，立根全部靠在井架上，遇到较大的风载，井架承受最大的水平载荷，此时计算载荷包括：1.作用在井架上的风载，一般当风向与立根靠力方向一致时，水平载荷达到最大值，此推荐风速为36m/s2.井架静载荷3.额定井深下，立根靠在井架上的水平分力；4.作用在立根上的风载则=230KN=26.32KN钻杆接箍直径 d=152mma）井架二层台的设计已知立根容量3200m的钻杆，考虑到还需放套管等，应将立根容量放大1.5倍，故二层台需存放钻杆数为：根所以二层台应该每排放18根立根，共放10排，平均分配于二层台俩侧。则根据实际需要，二层台的有效面积应将理论值稍微放大，故二层台的具体尺寸确定如下： 图3-1b）立根所受风载当井架没有蓬布的情况下，其承风面积，按下式计算：n-指梁上每排所放立根的数目d-立根外径故05 510 1020 2027 同理得出05 510 1020 2027 风压立根所受风载如下表 表3-2 高度（m）05510102020270.781.001.251.41风压(Pa)682.90874.751093.451233.40承风面积()7.58957.589515.179210.6254风载5182.8706638.91516597.69613105.368风压682.90874.751093.451233.40承风面积()13.6813.6827.3619.152风载9342.07211966.5829916.79223622.077C）井架所受风载风压不同高度的风压值如下表 表3-3高度（m）0551010202030304040500.781.001.251.411.541.63风压(Pa)682.3874.751093.451233.411347.101425.85承风面积为各杆件的投影面积。（3）保全设备工况（无钩载、无立根风速小于47.8m/s）考虑井架在保全设备的状况下，遇到最大风载，此时井架计算载荷包括：1.取风速为47.8m/s，风向取最危险风向2.井架静载荷=230KN不同高度风压值如表 表3-4 高度（m）0551010202030304040500.781.001.251.411.541.63风压(Pa)989.951269.171586.461789.531954.522068.75第四章 井架的强度、刚度分析计算井架是一种特殊的钢结构，主要承受在钻井过程中产生的各种载荷。井架的设计计算就是保证其在规定的寿命期间能安全可靠地支承设计载荷。井架的负载，具有一定程度的不确定性。其设计载荷的主要参数一般按标准或规范来确定，在具体设计时要考虑具体的工作环境，如海上、沙漠的影响。若井架的使用情况发生变化，可导致使用不安全。强度破坏是与断裂、失稳倒塌及不能接受的非弹性变形有关。结构发生不同类型的破坏取决于载荷和结构类型情况，同时也与控制设计的计算规定有关。井架通常有各种不同类型的破坏，如构件或杆件的局部破坏，整体结构的破坏等。因而在设计计算中不但需要分别考虑不同的计算规定，而且还要针对不同的使用要求，采用不同的计算方法。本章中井架的强度和刚度分析计算有俩种方法：一种是利用图解法求出各杆件的端力，然后手工计算，这种方法较麻烦，而且精度低，误差大，很难满足工程需要。第二种方法就是本文所用的利用计算机，使用ANYSY5.4程序进行计算。4.1 ANSYS软件简介 ANSYS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ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD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析（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100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本为ANSYS5.7版，其微机版本要求的操作系统为Windows 95/98或Windows NT,也可运行于UNIX系统下。微机版的基本硬件要求为：显示分辨率为1024768，显示内存为2M以上，硬盘大于350M，推荐使用17英寸显示器。 启动ANSYS，进入欢迎画面以后，程序停留在开始平台。从开始平台（主菜单）可以进入各处理模块：PREP7（通用前处理模块），SOLUTION（求解模块），POST1（通用后处理模块），POST26（时间历程后处理模块）。ANSYS用户手册的全部内容都可以联机查阅。用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在.LOG文件中列出，打开输出窗口可以看到.LOG文件的内容。如果软件运行过程中出现问题，查看.LOG文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根源。.LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由ANSYS自动读入并执行，这是ANSYS软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度。4.2 有限元分析方法的基本思想和分析步骤4.2.1 有限元方法的基本思想有限元法的基本思想是将结构离散成一系列单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，记入边界条件后即可对方程组求解。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。4.2.2 有限元分析的步骤a)结构离散化将结构离散成有限个具有某种特性的单元，计算出各节点的坐标，并对单元和节点编号。b)单元特性分析由于单元小，形状简单，可以选择简单且与单元类型相应的位移函数近似地表示每个单元上真实的位移分布。将所有作用在单元上的力(如表面力、体积力、集中力)等效地移置为节点载荷，这样就可以应用力学的变分原理，获得单元的平衡方程组。获得单元平衡方程组的关键在于建立单元内节点位移与节点力的关系矩阵单元刚度矩阵。c)建立整体矩阵方程将各单元的刚度矩阵集合成整体刚度矩阵各单元的等效节点载荷向量集合成总的载荷向量，把整体结构的各单元矩阵方程合并成一个整体的矩阵方程。d)整体矩阵方程求解引入约束条件，对结构的总体矩阵方程求解，得到各节点的位移，进而计算出节点的应变和应力。4.3 有限元法分析井架的基本原理 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(包括析架式并架和钢架式井架)是由有限个梁，柱组合成的平面结构或空间结构，因此把梁和柱当作有限单元是很自然的。平面彬架或空间钢架是由几根柱类杆件组成，以每根杆件作为一个单元，那么就可以认为该析架或钢架是由几个单元组成。 结构受载荷作用产生变形，结构中每个单元也产生变形。在有限元法里，考虑在单元上选定若干个点(即节点)，并假定以这些节点的位移确定各单元的变形状态。 若以梁或柱作的为单元，自然就把杆件两端作为单元变形状态的定义点。因此柱单元(亦称杆单元)和梁单元的节点通常取杆件的两端。这样，节点位移就是杆件端点的线位移和角位移。在有限元计算里，析架和钢架的变形状态是由杆件端点的线位移和角位移表示的。 对每个杆件来说，节点是杆件的两端，但如果从结构整体看，节点就是结构中杆件的连接处。对杆件中的内力(力和弯矩)，有限元法假定单元中的内力一律通过各个节点传递，单元中的内力可以用节点上的力和弯矩表示。因此，整个结构的内力状态，可以由节点上的力和弯矩表示，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载荷转化为等效节点力和等效节点弯矩。4.4 井架结构有限元静力分析4.4.1节点、单元的编写井架是一种典型的空间杆系结构，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（BEAM4）。左、右基座及左、右上座分别由两根焊接工字钢作为主梁，用普通标准工字钢联接起来构成，虽然主梁的截面尺寸较大，但纵向尺寸更大，再者它们可以同时承受轴力、双向弯曲，扭转和双向剪切作用，因而均简化为三维空间梁单元是合理的。前、后立柱和人字架前、后腿基本上是由普通标准工字钢焊接而成的框架结构，按它们可能的受力情况应采用三维空间梁单元建立有限元模型。前、后立柱与人字架前、后腿，还有一些其它框架都采用单销铰接简化为梁处理。在进行井架单元划分时，一般将井架主体结构的每一根杆件作为一个单元，杆件间的连接点作为一个节点。井架所带的扶梯、栏杆等附件，因为对井架的承载能力影响很小，可忽略不计。编写节点时节点编号自下而上，单元编号没有特殊要求，理论上可以任意编写，但一般为了方便的进行单元输入和计算结果处理，将材料和几何面积相同杆件按顺序编在一起。例如，井架大腿、横杆、斜杆分别为不同的几何截面形状，则先编大腿各杆件，在编横杆，最后是斜杆。所以本井架共划分了216 个三维梁单元，共计113个节点，具体详见图纸“井架有限元网格图”。井架（人字架、前后立柱、斜撑）采用 16Mn，其它部分采用 Q235。在单元划分及节点位置确定以后，还要计算各个单元的截面特性参数，即单元的截面尺寸、两个方向的截面模量，以及各节点的位置坐标，然后按照从下到上的顺序逐个输入坐标值，建立井架有限元模型。井架的有限元模型如下图所示。 图4-14.4.2载荷和约束处理在有限元分析时，一般按以下原则将载荷作用在井架上：1.大钩载荷：按集中应力处理，平均分成四份垂直向下，作用在井架顶部四个节点上。2.井架自重：ANSYS软件可根据材料密度，自动计算处杆件的重量，并自动作用在杆件上，这样只需在输入数据时将各杆件的材料密度输入即可。3.立根载荷：平均分成俩份，水平作用在二层台处井架前侧的俩个节点上。4.风载：风载是分布载荷，ANSYS软件在用空间梁单元计算时，分布载荷是按固端力处理的。计算时先用风压值乘以杆件与风向垂直的投影面的密度，将风载转换为线性分布载荷。5.井架的约束：人字架底部的四个节点全约束，井架主体底部的俩个节点各约束五个自由度，绕x轴的转动自由度松弛。4.5 节点、载荷的计算第一种工况作用在井架顶部的最大垂直载荷F=2530KN将F简化到四个大腿上，Q=632.5KN加载如图所示 表4-1 XYZ109 00-632.5KN11000-632.5KN112 00-632.5KN11100-632.5KN 图4-2第二种工况1.井架静载荷=230KN，在此力作用下节点所受载荷如下表 表4-2 XYZ109 00-57.5KN11000-57.5KN112 00-57.5KN11100-57.5KN2.立根作用力将立根斜靠水平分力和立根所受的风载折算到二层台与井架铰接处P，计算如下：风压是沿高度变化的，为了简化计算，可以将风载沿立根高分段（共分为四段）折算成均布载荷，如图4-3。 图4-3风载通过立根作用在二层台指梁上，最终通过二层台与井架铰接点作用与井架。因此可以将均布载荷简化为集中载荷，求出井架所受的力。如图4-4所示，对O点取矩，根据力矩平衡，有： 图4-4由表3-2中F值可求得：由于风通过迎风面后，背风面的风压是有所减小的，因此，背风面的风载还应该在迎风面风载的基础上乘以风压消弱系数m。根据石油钻采机械表9-7、9-6中其中 -挡风系数 -弦架各构件实际承风面积的总和 F-平面弦架的外轮廓面积则由插值法可查得风压消弱系数 m=0.687根据以上数据，可求出二层台与井架连接点的受力。1.二层台受力分析 图4-52.井架受力分析 图4-6将连接点处受力向相邻俩节点处简化，根据力矩平衡，可求出节点68、72、69、73的受力，二层台受力折算到节点上的载荷如下表表4-3X（N）Y(N)Z(N)Mx(N.m)My(N.m)Mz(N.m)682032.92045.700011557240658.340914.30002424569118.62054.70001065732371.440914.300022375 3井架所受风载的计算井架在10米以下所受风载很小，可忽略。根据井架的结构，节点载荷从40节点算起，因风压沿高度变化，可以将风载沿井架分