（机械工程专业论文）轮式作业机井架结构优化及动态特性分析.pdf

摘要 井架是作业机的重要组成部分，井架作为典型的杆系结构，是主要的承力构件，受 力和实用工况复杂，对其进行静力分析是井架设计的基础。本文利用有限元分析软件 a n s y s ，建立井架的三维空间几何模型，对井架在作业时有风载和无风载等几种工况进 行有限元静力分析，得到井架的整体位移图和整体应力分布图，并对这些结果进行分析， 对其进行优化，尽量达到安全、经济、可靠的目的。在井架结构优化后的模型基础上， 进行了模态分析、瞬时动态分析和谐波响应分析。文章通过分析井架在自重情况下的前 6 阶自由振动频率和振型、井架在钩载为11 0 0k n 作用下产生位移时间图及转盘激扰时 的振动位移，得出结论：井架以整体弯曲为主，四根立柱为主要承载构件，且前两根的 立柱的承载能力最为薄弱。建议通过改变截面大小和材料来提高结构的稳定性和承载能 力，通过优化截面参数提高结构的刚度。 关键词：结构强度，优化，模态分析，瞬时动态分析，谐波响应分析 d e r r i c k ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dd y n a m i ca n a l y s i s o fw h e e l e dh o i s tt r a c t o r y a od a o g u a n g ( m e c h a n i c a l e 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 dr i hd e r r i c ki st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ep u l l i n gu n i t a st h et y p i c a ld e p a r t m e n t s s t r u c t u r eo fp o l e ，d r i l ld e r r i c ki st h em a i na c c e p t e dl o a d sc o m p o n e n t i ti sc o m p l i c a t e dt o r e c e i v es t r e n g t ha n dp r a c t i c a lo p e r a t i n gm o d e s i ti st h ef o u n d a t i o nt h a tt h ed e r r i c ki sd e s i g n e d t oc a r r yo nq u i e ts t r e n g t ht oi t t h i st h e s i su t i l i z e st h ef 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 ea n s y s ， s e tu pt h eg e o m e t r i cm o d e lo ft h r e e d i m e n s i o n a l s p a c eo ft h ed e r r i c k ，c a r r yo nt h eq u i e t s t r e n g t ha n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n ti ns e v e r a lk i n d so fo p e r a t i n gm o d e ss u c ha sw i n dl o a da n d c a l ml o a dt ot h ed e r r i c kw h i l ew o r k i n g ，g e tt h ew h o l ed i s p l a c e m e n td i a g r a ma n dt h ew h o l e s t r e s sd i s t r i b u t i o nd i a g r a mo ft h ed e r r i c k i no r d e rt og e tt h es a f e ，e c o n o m i ca n dr e l i a b l e p u r p o s e ，a n a l y z i n ga n do p f i m i z i n gt h e s er e s u l t s o nt h e b a s i so fm o d e la f t e rt h ed e r r i c k s t r u c t u r ei so p t i m i z e d ，h a v ec a r r i e do nt h em o d e la n a l y s i s ，t h ei n s t a n t a n e o u sd y n a m i ca n a l y s i s ， a n dt h eh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s t h r o u g ha n a l y z i n gd e r r i c kt h ef i r s ts i xs t e pf r e ev i b r a t i o n f r e q u e n c ya n dv i b r a t i n gm o d e su n d e rt h es i t u a t i o no fs e l f - w e i g h t , a n dt h ed e r r i c kw h e nt h e h o o kl o a di su n d e r110 0k nf u n c t i o n sh a st h ed i s p l a c e m e n t - t i m i n gc h a r ta n dt h et u r n t a b l e h a r a s sv i o l e n t l yt h ev i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t ，d r a w st h ec o n c l u s i o n ：d e r r i c kb yw h o l ec u r v i n g p r i m a r i l y , f o u rv e r t i c a lc o l u m n sa r et h em a i nc a r r y i n gp i e c e s ，a n df i r s tt w oc o l u m n 。sb e a r i n g c a p a c i t yi st h ew e a k e s t p r o p o s ee n h a n c e st h es t a b i l i t yo ft h es t r u c t u r ea n db e a r i n gc a p a c i t y t h r o u g hc h a n g et h es e c t i o ns i z ea n dt h em a t e r i a l ，a n de n h a n c e st h er i g i d i t yo ft h es t r u c t u r e t h r o u g ho p t i m i z et h es e c t i o np a r a m e t e r s k e y w o r d s ：s t r e n g t ho fs t r u c t u r e ，o p t i m i z e ，t h em o d e la n a l y s i s ，t h ei n s t a n t a n e o u sd y n a m i c a n a l y s i s , t h eh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i 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：磁 日期：朋年。月钇，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，边 指导教师签名：_ = ；姿至基l 日期：础多年j 月铡日 日期：五年，月必日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章绪论 作业机井架是油田中广泛使用的小修井架，在油田各种修井作业中使用频繁。井架 用于安放天车、游车、大钩等起升设备和工具，承受起下钻、下套管及其它作业产生的 载荷，提供起下钻及存放管柱操作的高度与空间，是一种桅形伸缩结构，属于典型的杆 系结构。作业机井架在工作时多向井口方向倾斜，需要用绷绳来保持结构的稳定性，绷 绳是作业机井架不可缺少的支承。井架是作业机主要的承力构件，其力学性能与承载能 力直接影响着井下的各种施工作业。井架的受力情况复杂，过去只是利用以结构力学为 基础的解析法，只能求解少量参数，限于处理简单的结构件。在这我们应用a n s y s 软 件对其进行静应力分析，希望可以对井架的设计和改进提供一定的理论参考依据。 1 1 国内外研究现状 作业机是油田上用来对排除油井故障或调整油井参数，恢复油井正常生产的一种作 业设备。可以完成油井起下管柱、更换井下工具、深井试油等小修作业，以及钻水泥塞、 造扣、开窗侧钻等修井作业。 目前国内作业机市场主要有履带式、轮式通井机和修井机，其中履带式正处于更新 换代期。对于井架来说，主要用于通井机和修井机，过去我们常把井架简化为平面桁架 来计算，计算量大，误差也很大。近年来，由于计算机技术的发展及有限元分析软件的 出现，使井架的计算逐步趋于简便、准确。现在国内使用的有限元分析软件主要以从国 外引进为主，如m s c n a s t r a n 、m s c p a t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r e 、i - d e a s 和a l g o r 等，国内的学者也相继开发了多套有限元程序，例如大连理工的j i f e x 、郑州机械研究 所的紫瑞、北京农机学院的有限元分析系统等，在国内产生了一定的影响。 a n s y s 在国内的应用最为普遍，尤其在铁道、建筑和压力容器方面应用较多。尽 管目前a n s y s 已发展了很多版本，其实他们核心的计算部分变化不大，只是模块越来 越多。在a n s y s 中提供了很多类型的体素，如立方体、圆柱体、球体和圆锥台等，只 要输入与这些体素相关的关键尺寸便可以直接生成它们的实体模型。利用a n s y s 对井 架进行有限元分析，可以得到各构件的应力、应变及位移。应用a n s y s 有限元分析软 件，可以方便地建立计算结构模型，对于刚架或桁架结构只需给出线框图，实际结构杆 件的截面形状通过实常数项给出。在后处理中还可以直观的观察结构的应力分布情况及 变形情况，通过这些便可对井架的设计提供足够的理论指导。它还可以实现对大型复杂 空间框架结构的静力分析，其丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，也保证了它 第1 章绪论 能高效地求解各类结构的静力问题。 目前，国外的作业机市场主要是大型的修井机，所用到的井架一般都是经三维 ( p r o e 、s o l i d w o r k s 等) 建模和力学计算( a n s y s 、i - d e a s 等) 后得出的。 1 2 课题的研究目的和意义 井架是轮式作业机中的主要部件，承受主要的载荷，如果设计不当，会浪费原材料， 甚至在使用中出现事故。本文根据轮式作业机井架的不同工况，考虑井架自重及其它已 知条件，通过a n s y s 建立井架的三维模型并进行受力分析来确定井架的承载力，对其 进行静力分析及静强度校核，得出一些有工程实用价值的结果。并通过对不同条件下的 井架进行井架的应力、变形、受压稳定性，对井架进行优化设计。从而为井架的设计安 全提供理论指导，减少事故的发生。 通过对轮式作业机井架的静应力分析，对井架的设计提供可靠的计算依据。通过 a n s y s 分析得到的计算结果准确，简化了计算过程，根据这些结果可以优化产品。利 用有限元a n s y s 分析软件还可模拟各种方案，从而可减少试验时间和经费。 1 3 本文的主要研究内容 本文首先通过查阅相关资料，了解井架工作原理、设计计算标准规范，然后利用 a n s y s 建立井架的三维计算模型。通过对模型施加载荷、施加约束、网格剖分、分析 计算，对井架在各种工况下进行有限元静力分析；并根据后处理得到的图象和列表，对 井架进行静力分析，最后得出相关结论。通过分析求解的结果，确认作业机井架满足设 计和验证的要求，在有关结果的基础上对井架进行优化改进。在此基础上，进行井架的 动态特性分析。 本文主要工作内容包括t ( 1 ) 通过查阅文献资料，了解修井机的基本结构，查阅井架的总体参数和设计输 入标准规范； ( 2 ) 应用计算机仿真与数值模拟技术，通过a n s y s 建模对井架进行静力分析，并 考虑不同工况下井架的受力状况对其进行静力分析及强度校核，并在此基础上对井架结 构进行优化改进，为现场提供工程实用价值； ( 3 ) 对井架进行动力分析计算，研究井架的自振特性，从而确定井架承载能力的薄 弱环节；并综合考虑井架静力分析、动力分析和稳定性分析的结果，对井架的承载能力 进行研究，从而确定井架的最佳结构，以保证结构的安全、经济、可靠。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章有限元方法的基本理论 2 1 有限元方法概述 有限元法是工程技术领域内常用的数值模拟方法之一【1 1 ，它是将问题的求解域划分 为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量选定的函 数关系插值求得。由于单元形状简单，易于有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，代入边界条件后即 可对方程组求解。单元划分越细，计算结果就越精确【2 1 。 有限单元法的应用现在已经特别广泛，已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板 壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性 材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、 电磁学等领域。 由于有限元通用程序使用方便、计算精度高，其计算结果已成为各类工业产品设计 和性能分析的可靠依据。以a n s y s 为代表的工程数值模拟软件，即有限元分析软件， 不断吸取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术 相结合，已成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。 2 2 有限元分析的基本步骤 ( 1 ) 结构离散化 杆系结构是由若干个杆件组成，离散时可把每一个杆件看作是一个单元，离散的桁 架单元是二力杆件，刚架单元是梁、柱单元。 在连续弹性体中需要人为地把它离散成有限个单元，或者说把它离散成为一个散的 结构物。该结构物由有限个大小的构件在有限多的节点上相互连接而成。各单元彼此连 接点称为节点。在桁架、弹性平面问题和弹性空间等问题中，把连接点都称为铰节点， 以节点位移作未知量。如果相邻单元之间有法向力和弯矩传递，则必须把节点当作刚性 节点。 有限元离散化过程实际上是将具有无限个自由度的弹性体转化为有限个自由度单 元集合体。从数学上讲，把连续形式的微分方程转换为代数方程组，以便于用子计算机 进行数值求解。有限元法得到的应力和位移一般都是近似值，当单元划的足够多，单元 位移函数选择合理时，其有限元法分析得到的结果非常接近精确解，能够完全满足于实 际工程问题的需要。 3 第2 章有限元方法的基本理论 ( 2 ) 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。单元位移函数确定后，利用弹性力学的基本方程就可以进行 单元分析。单元分析的主要内容就是用单元的节点位移表达出单元的应变和应力，从而 建立起单元的平衡方程，并求出单元的刚度矩阵( 简称单刚) 。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。 ( 3 ) 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： 【k 】 ) - - p ) ( 2 1 ) 其中，f k l 总体刚度矩阵，简称总刚； 卜一结构的场变量； q 结构的节点荷载矩阵。 总刚【k 】是对称矩阵，且有= 巧，【k 】中每个对角线元素k o ，这是因为节点 力分量必与它的节点位移分量同向所致。【k 】为奇异矩阵，这是因为上式中没有考虑结 构物的各种支承条件，从力学角度看，没有支承约束的结构物，即使所受的外力自身构 成一个平衡力系，其位移解答也是任意不定的。因此，在有限元法分析中必须把支承条 件引进到总体刚度矩阵，消除k 1 中的奇异性，使其成为非奇异矩阵。 ( 4 ) 整体矩阵方程求解 通过整体分析，建立起结构物在整体坐标系下的平衡方程。引入支承条件后，整体 方程就转变成具有唯一解的线性方程组，求解该方程可得到各节点的位移，进一步计算 可得到单元的内力和应力，以及单元内任一点的位移。 2 3 模型的建立依据 进行有限元分析，首先遇到的问题就是假设和简化，建立起适合有限元分析的力学 模型。一个好的力学模型应该满足以下两条： ( 1 ) 模型能基本反应设备的真实受力状态，分析计算结果能满足工程需要： ( 2 ) 模型考虑因素尽量少，研究对象简单，以便降低有限元分析时的工作量。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 有限元分析的“建模 过程主要包括以下3 个方面： ( 1 ) 结构简化：根据井架的受力状态，对称和反对称等原理，在保证受力状态基 本不变的前提下，尽量简化井架的结构，达到降低计算工作量、减少数据处理的目的。 ( 2 ) 载荷处理：考虑引起结构受力状态变化的主要外载荷，一些次要，且计算复 杂的载荷可以忽略不计或简化处理。 ( 3 ) 边界条件处理：尽量利用有限元分析程序提供的各种边界条件处理方法来模 拟实际井架的力和位移边晃条件，在模拟过程中要确保模型为“结构。 2 4 结构静力分析 结构分析是要确定结构在给定载荷作用时的应力和位移分布。为了保证正常工作， 结构必须满足强度、刚度以及稳定性等方面的力学性能要求。力学分析方法可分为解析 法与数值法两类【3 ，4 】。 解析法是运用材料力学或弹性力学的基本方程来求解应力与变形。从理论上讲，弹 性力学应能解决一切弹性体的应力与变形问题。但是在工程实践中，一般的结构受力情 况，边界条件都比较复杂，求出解析解往往是不可能的。实际结构的线性分析也往往是 通过对结构本身和加载方式进行大量简化；或者是采用数值法进行分析。因此解析法通 常只能对某些简单问题才能求得理论解，而对复杂结构的分析，唯一的途径是应用数值 法来求出问题的近似解【5 1 。 数值模拟方法有：有限差分法、边界元法、有限元法和离散元法等【4 6 】，其中有限元 法以其易于掌握、适应性强等优点被广泛地应用于工程结构分析计算中。线性有限元平 衡方程的推导过程中，应用了弹性力学的基本方程及虚功原理。弹性力学中的三个基本 方程分别是几何方程、本构方程和平衡方程。 2 4 1 几何方程 几何方程是描述结构的位移函数与应变函数之间关系的方程，在经典弹性理论中假 定结构的位移、转动和应变是很小的，而且在结构变形时载荷方向不变，从而得到线性 的几何方程。由经典弹性理论，小变形情况下的几何关系即位移应变关系为 扛) = k ( 2 2 ) 式中， 万) 为结构内任一点的位移向量；【三】是微分算子，矩阵表示如下： 第2 章有限元方法的基本理论 i l l = 旦ooo 旦旦 瓠a z 劫 。旦。旦。旦 却 现瓠 oo 旦旦旦。 有限元法在结构离散化后，把单元中任一点的位移分量表示成坐标的某种函数，这 一函数叫做单元的位移函数。设 8 为单元节点位移向量，在选定位移函数后，在单元 内部和边界上，假设满足位移协调条件的插值函数矩阵为 】，则单元体内的位移可表 示为： 万) 。= 【】 ) 。 ( 2 3 ) 将式( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) 得 f ) = 三】 】 ) 8 = 【b ) 。 ( 2 4 ) 式中，【b 】为应变矩阵。 2 4 2 本构方程 弹性力学中应力应变之间的转换关系称为本构方程，也叫物理方程。物理方程利 用了连续性假定、完全弹性假定、均匀性假定、各向同性假定得到的。 对于各向同性的线弹性材料，应力应变关系的矩阵形式为 仃) = 【刎 g ) ( 2 5 ) 其中， o r ) = 吒 占) = q 应力矩阵【d 】为： 。，。z t y z t z 、 ，zk1 p 。z yz 弋 【d 】= 高禹 1j l 生0 l 一1 一 1 生0 1 。t l0 l 一劬 2 ( 1 一砌 对称 6 o0 o0 oo o0 上丝 o 2 ( i - 力 l 一和 2 ( 1 一砌 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 4 3 平衡方程 陋】7 p ) + 曲) = 0 其中， q 为体积力向量。 ( 2 - 6 ) 2 4 4 虚功原理 虚功原理在力学中是一个普遍的能量原理，把它应用于弹性体，可得出如下的推理： 假设作用在某弹性体上的外力与内部产生的应力处于平衡状态。若给弹性体任一微小的 虚位移，并同时在弹性体内产生相应的虚应变时，则外力在虚位移上所作用的功等于应 力在虚应变上所作的虚功【7 1 。其数学表达式为： p 门】d y = j 缸y p ) ( 2 - 7 ) 将式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 代入虚功方程得到 k 】8 红 。= 尸 。 ( 2 8 ) 式中，医】8 为单元刚度矩阵；p y 为单元节点载荷向量。且单元刚度矩阵 【k 】。= j 8 1 2 【d b d v ( 2 9 建立了单元刚度方程后，把各单元刚度矩阵组合，通过按节点迭加的原则，建立整 体节点位移列阵 和节点载荷列阵 p 之间的关系式，即结构整体的刚度方程为 【k 】= 尸) ( 2 一l o ) 式中，【k 】为整体刚度矩阵。 根据式( 2 1 0 ) 可知，在一定载荷作用下，结构位移的大小取决于结构的刚度，刚 度越大则结构的位移越小；反之，位移就越大。 引入结构的约束条件，对结构的总体刚度矩阵方程式( 2 1 0 ) 求解，得到各节点的 位移值，进而计算出结构的应力和应变。 7 第3 章井架模型建立及总体参数 第3 章井架模型建立及总体参数 3 1 井架总体参数 最大静钩载：1 1 0 0k n 井架结构：q 3 4 5 钢，矩型截面有绷绳轻便井架，两节伸缩结构 井架工作高度：3 1m 倾斜角：5 5 。 井架顶部跨距：( 正面侧面) 1 1 6 6 x 8 2 6 n l i l 井架底部跨距：( 正面侧面) 1 8 2 8 x1 0 3 8r t l m 井架抗风能力：非工作状态1 1 1k i n h i 起降状态3 0k m h 3 2 井架模型的建立 3 2 1 几何模型的建立 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。轮式作业机井架是一个典型的桅型井架，由两节伸缩井架( 上体、下体) 构成。整个 井架靠液压套筒油缸先把下体起升起来，然后起升油缸推出上体。 1 模型的简化 本文中井架高3l m ，在作业时整体倾斜5 5 度，由八根绷绳拉起。井架各杆件均承 受轴向力和附加弯矩作用，各结点均为焊接的刚性结点，井架上体和下体之间视为刚性 连接，故将井架简化为空间刚架模型。 2 载荷的简化 在简化模型时将天车、二层台等附件全部忽略，天车和游动系统的的质量视为集中 质量平均分配到相应的结点位置。工作台自重和最大静载也视为集中质量平均分配到相 应的结点上。略去护栏、护梯、栏杆等附属物对井架的加强作用。 3 绷绳的处理 井架本来有八根绷绳，前后各四根绷绳，但是当井架作业时倾斜了5 5 度，考虑井 架最不利的受力情况，认为井架倾向一侧的4 根绷绳垂弯而失去张力，只有井架倾向背 侧的4 根的拉紧力，故可将井架倾向一侧的4 根绷绳略去不计。对绷绳用一抗拉强度相 等的弹性直杆代替，使其满足，即将绷绳近似按线性处理。在井架的有限元计算中，最 困难的问题是绷绳的处理，因为绷绳是一种悬索结构。而绷绳力，特别是在有风载的情 中国石岫大学( 毕束) 工程砸i 学位论立 况下，对井架下体受力影响极大。模型中，把绷绳等效成等截面的弹性受拉直杆，不承 受压力。 4 仞始几何模型的建立 由此在a n s y s 中将井架的几何模型简化为接近实际的线框式几何模型，即在 a n s y s 建模初始阶段的线结构模儿模型共建有1 3 0 个关键点，在点与点之削连线形 成井架的粱和杆单元。井架的初始几何模型如图3 一l 所示： 图3 - l 井架基本模型 印- i d e r r i c k s f u n d a m e u t a l m o d e l 3 22 有限元分析模型 经过模型在几何上的简化，在对模型的一些参数进行定义，就可以得到分析计算时 的三维井架模型了。在本文的a n s y s 有限元分析中，我们对井架的梁单元采用 b e a m i8 9 单元，绷绳单元采用了只承受拉压的l i n k l 0 单元。b e a m l 8 9 单元基于 t i m o s h e n k 粱理论构建，包括了剪切变形的影响，而且提供了强大的非线性分析能力， 更出色的截面数据定义功能和可视化特性，适合于线性、非线性分析4 i 。a n s y s 提供了 有十一种常用截面形状的粱横截面库。并支持用户自定义截面形状。在本研究中我们为 井架定义了七种不同尺寸的截面形式，如表3 - 1 所示： 第3 章片架模型建立及总体参数 表3 - 1 材料截面参数 t a b l e 3 - 1s e c t i o np a r a m e t e ro fm a t e r i a l s 编号1 槽型钢 2 槽型钢 3 槽型钢 规格 d 2 1 5 1 1 0 2 x 6d 2 1 5 2 1 5 1 5d 2 1 5 2 7 6 x 6 编号5 槽型钢6 槽型钢7 矩形钢 规格d 2 7 6 5 1 5d 2 7 6 3 8 x 46 5 6 1 参数的定义 4 矩形钢 d - 1 - 1 0 0 5 5 单元类型：梁单元定义为b e a m l8 9 ，绷绳定义为l i n k l0 单元。 实常数：在a n s y s i o 0 中b e a m l 8 9 单元不需要定义实常数，在这只需对绷绳单 元定义，这里为绷绳的截面面积：4 9 0m m 2 定义截面：在s e c t i o n s 命令中，对梁截面进行定义，井架结构的大部分构件均为标 准的型钢，在定义截面时只需要输入表1 中所示的标准尺寸即可。 所有钢材质都用q 3 4 5 b ，材料屈服极限为0 5 = 3 4 5m p a ，密度为7 8 5 x1 0 3k g m 3 。 梁单元弹性模量为2 1 0 g p a ，泊松比为0 3 ；钢丝绳单元弹性模量为1 6 0g p a ，泊松比取 0 2 。 2 网格划分的处理 根据井架截面定义的不同，考虑到绷绳只承受拉力，梁除了受拉压力之外还有弯矩 的影响，在划分网格时，对梁截面划分为五个单元，绷绳只划分为一个单元。划分后井 架共有2 6 9 9 个节点，1 4 2 9 个单元。 3 3 设计输入标准规范 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) ； 设计计算符合美国a i s c 规范( 第八版) ； 设计符合a n s i a w s d l 1 8 8 美国国家标准、美国焊接协会； s y t 5 6 0 9 9 9 3 石油钻机型式与基本参数：( g b l 8 0 6 ) s y 5 0 2 5 9 1 石油钻机用井架及底座； s y 5 1 7 0 9 2 石油用钢丝绳： s y t 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 s 一8 7 石油钻采机械产品用焊接件通用技术条件： j b t 6 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 手弧焊接头基本型式和尺寸； l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 g b 9 8 6 埋弧焊接头基本型式和尺寸。 第4 章井架的静应力分析 第4 章井架的静应力分析 从计算的线性或非线性的关系可以将结构分析分为线形和非线性。从载荷与时间的 关系，可以将结构分析分为静力分析和动态分析，而线性静力分析是最基本的分析。静 力分析的定义：静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应。它不考虑惯性和阻 尼的影响，如载荷随时间变化的情况。但是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载 荷对结构的影响( 如重力和离心力) ，以及那些可以近似为等价静力作用的载荷( 如等 价静力风载和地震载荷等) 的影响。在本章我们对井架进行线性静应力分析，在简化了 载荷和边界条件以后，通过a n s y s 的分析给出静应力分析的结果。计算时采用a n s y s 软 件中的命令流输入的方法，可提高计算分析的效率。 4 1 载荷的确定 4 1 1 恒定载荷 井架主体自重：g = 9 9 6 6 6 n 游动系统自重：g 游= 3 0 6 7 4 n 天车自重：瓯= 7 9 9 7 n 恒载的分配：井架主体自重可由a n s y s 软件定义相关的重力加速度后由软件自动施 加，天车、游动系统的重量平均分配到井架的四个顶点上。 4 1 2 工作载荷 最大静载荷：= 1 1 0 0 0 0 0n 工作绳作用力：岛= 2 8 2 6 7 0 n 工作载荷的分配：最大静载荷、工作绳作用力近似平均的分配到井架的四个顶点上。 4 1 3 自然载荷 本次计算自然载荷只考虑风载。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=pxa(4-1) 式中：f 风载( n ) ； 尸风压( p a ) ： 彳迎风面积( m 2 ) ，即与风向垂直平面上的投影总面积。 风压公式：p = 0 6 11 5 x v l 2 g e ( 4 2 ) 式中：p 风压( p a ) ； 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 风速圪( m s ) p | lp a ) 4 7m s ( 9 3 节) 1 6 8 8 5 3 6m s ( 7 0 节) 8 3m s ( 1 6 节) 9 9 0 65 2 6 6 本次计算风速为3 0 8m s ( 6 0 节) 时，根据表2 进行插值计算可得： p 7 = 7 2 5 1p a 风载公式简化为： f = p x a = p 7 c h a 式中：f 风载( n ) ： ( 4 - 4 ) 尸7 风压( p a ) ； 彳迎风面积( m 2 ) ，按井架正面或侧面实际面积乘以0 4 2 体型系数计算。 风载近似认为平均分布在井架各段的结点上。 1 井架正面( 背面) 风载计算 风载合力： f = p 7 彳g 彳g 计算见表4 - 3 ： 表4 - 3 井架正面( 背面) 彳g 计算列表 ( 4 - 5 ) 第4 章井架的静应力分析 序号 1 2 3 合计 t a b l e 4 3d e r r i c k sf r o n t a g e ( b a c k ) y a c hc o m p u t a t i o nt a b u i a t i o n 部位 下体 上体 天车 a ( m 2 ) h ( m ) 5 1 54 2 7 2 4 31 5 1 0 9 1 8 5 8 4 8 对于6 0 节风( 3 0 8m s ) ： c 1 1 1 2 1 2 彳g ( m 2 ) 5 1 5 2 6 7 0 9 9 8 8 1 风载合力： f = p 么g = 7 2 5 1 x 8 8 1 = 6 3 8 8 n 黼藏吃= 瓷= 等以- 6 m 作用于井架每段各结点的均布风力：2 云2 9 0 n 2 井架侧面风载计算 风载合力按公式( 4 - 5 ) 计算。 a c , 计算见表4 4 ： 表4 - 4 井架侧面a c h 计算列表 t a b l e 4 - 4de r r i c k s s i d e 彳巳c o m p u t a t i o nt a b u l a t i o n 序号部位a(m2)h(m) c ag ( m 2 ) 1下体3 7 44 2 7 2 3 合计 上体 天车 1 5 2 o 8 6 0 6 对于6 0 节风( 3 0 8m s ) ： 1 5 1 1 8 5 1 1 3 7 4 1 21 6 7 1 2o 8 8 6 2 9 风载合力：f = p 么c = 7 2 5 1 6 2 9 = 4 5 6 1n 黼就红= 瓷= 酱观4 m 作用于井架每段各结点均布风力：乓= 丽- , = 7 8 n n 1 4 agh ( m 3 ) 2 1 9 9 4 0 3 6 1 8 - 3 2 agh ( m 3 ) 1 5 9 7 2 5 2 2 1 6 2 8 5 7 4 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 4 2 边界条件 井架与底座间的连接销，在工作时不允许发生相对转动，在模型中处理成固定约束， 限定其三个方向的线位移及角位移。绷绳处理成固定约束，在三个方向上不允许有移动 或转动。 4 3 综合分析 4 3 1 工况分析 研究了4 种工况组合： 工况i ：最大钩载、自重 工况i i ：最大钩载、自重、正面风载荷 工况i i i 最大钩载、自重、背面风载荷 工况i v ：最大钩载、自重、侧向风载荷 1 工况i ( 1 ) 井架自重，自重方向竖直向下，取重力加速度9 8 m s 2 ，自重由程序定义梁单 元材料后自动计算并施加。 ( 2 ) 天车、游动系统自重，工作绳作用力，最大静载荷共1 4 2 1 3 4 1n ，平均分配到 井架的四个顶点上，每个节点取3 5 5 0 0 0n ，方向沿负y 轴方向。 ( 3 ) 最大钩载1 1 0 0 0 0n ，平均分配到井架的四个顶点上，每个节点取2 7 5 0 0n ， 方向沿y 轴负方向。 2 工况i i 、 在工况i 的基础上，考虑井架受风载作用。将计算所得的风载合力平均分配到承受 风载的作用面的所有关键点上。总体分为正面受风载，背面受风载，侧面受风载三种情 况。 工况i i 、i i i ( 1 ) 静载与钩载的施加同工况i 。 ( 2 ) 在正面施加风载，风载合力为6 3 8 8n ，平均分配到正面7 1 个关键点上，每个 点的力取9 0n 计算，方向沿x 轴正方向：在背面施加风载时，风载合力为6 3 8 8n ，平 均分配到背面的6 8 个关键点上，每个点的力取9 5n 计算，方向沿x 轴负方向。 工况i v ： ( 1 ) 静载与钩载的施加同工况i 。 ( 2 ) 在侧面施加风载，风载合力为4 5 6 1n ，平均分配到侧面5 9 个关键点上，每个 锥4 章j | 架的静应山”析 f f j 力取7 8n 计算，方向沿z 轴负方向。 432 静力分析 利用a n s y s 软件求解和后处理命令，对以上四种工况下的井架进行静力分析，得到各 种丁况下的井架的最大位移和最大应力如表45 所示： 表45 各工况下井架展大位移及应力 t a b l e 4 - 5un d e re a c hk i n do f o p e r a t i n g m o d ed e r h c k + sb i g g e s td i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s i 批 i 况li 况i i m i l l i 况 最人位移( c m ) 7 】5 5 972 5 5 870 5 6 7 71 6 9 8 豇 酾1 1l m p a l2 0 42 0 6 2 0 2 2 0 3 由表45 可知当井架正面承受风载时，是最危险的情况，井架各处的应力和变形也 最火，所以本文主要刘此种工况下的井架进行静力分析。通过a n s y s 计算分析可以直接 输山井架的整体位移和应力分却图，我们从这些图中町以南观地看出： ( 1 ) 整体位移和应力分布：存额定载荷作_ j 下，井架顶部的位移最大，达到72 5 5 8 厘米，从上到下位移逐渐减小。井架在作业时大部分构件受压产生压应力，绷绳及部分 横筋受拉产q t 特麻力。其中绷绳产生的拉应力最大，而最大压应力位于井架后侧的大腿 底部，整体最大应力为2 0 6m p a 。 圈4 - 1 井架整体位移云图 n g 乒1 d e r r i c k s w h o kd i s p l a c e m e n t d i a g r a m ! 要! 羔蔓基! 墨 图42 井架m is s e s 应力百图 f i 9 4 - 2d e r r i c k s m i s s 船5 1 陀s $ d i a g r a m ( 2 ) 井架大腿应力：井架在此种工况下，井架四个立柱受压，产生压应力，由于 作业井架工作时向井口方向倾斜了55 度，致使井架后侧太腿的轴向应力普遍高于前侧 大腿，而位于同面的大腿受力比较均匀。井架大腿下侧与地面固接处的应力是最大的， 中目4 l 油 # ( 东) i 碗十学论女 其他部位的应力分布比较均匀，而且井架大腿自“侧和后侧的应力蛀大相差也不超过3 0 m p a 。井架l 狮后侧人腿的虑力分布如图43 ，44 所示： 圈4 - 3 井架前侧大腿m i s s e s 应力云图图4 - 4 井架后侧太腿m i s s e s 应力云图 f 1 9 4 - 3d e r r i c k s v e n t r a l t h i g h m i s s e ss t r e s sf i 9 4 - 4d e r r i c k gr e a re n d t h i g h m i s s e ss t r e s s d i a g r a m d i a g r a m ( 3 ) 横撑和斜撑应力；井架侧面的横撑应力最大处在井架中部的连接处，最大应 力达到9 27m p a 其他部分的应力分布较均匀，绝大部分都低于5 0 m p a ，如图45 所示。 而井架正面的横撑应力绝大部分大于侧面横撑，但是在井架的底部和顶部的两根横撑和 井架巾音| j 连接处的横撑的应力较其它部分要小得多，只有十几兆帕，如图46 所示。由 图45 、46 可看出， = 架侧面的斜撑应力也小于一面斜撑的应力，在斜撑上应力分布 比较均匀。 图4 - 5 侧面横撑s s e s 鹿力云图 f i 9 4 5 s i d ec m s s t i e m i s s e ss t r e s sd i a g r a m 影 过 、 ，1x 图46 正面横撑m i s s e s 应力云图 f i g d - 6p o s i t i v e t i e m i s s e ss t r e s s d i a g r a m ( 4 ) 危险截面：整个井架应力最大处在井架丌口处与地面固接处，最大应力达2 0 6 第4 章井的静心力n 忻 m ，a ，如图4 - 7 所示 ! ? 譬焉4 = z ! 尘，三2 r ：三兰三：! ! ! 兰竺! j 图47 井架m is s e s 应力堆大处 f i 9 4 - 7 d e r r i c k ss t r e s si l l l l o s im a i np o i n t 结果分析： ( 1 ) 应力：已知材料的屈服极限为：口。= 3 4 5 m p a ，在此种工况下蛀大应力 正。= 2 0 6 m p a ，则安全系数为： h ：旦：丝：1 6 7 5 q 。2 0 6 该安全系数满足井架设计的要求。 ( 2 ) 位移：根据要求一般建筑在风载作用下位移要小于高度的1 4 0 0 ，井架总体高度 为3 1m ，要求位移应小于77 5c m 。而井架顶部最大位移为：72 5 5 8c i n ，也满足要求。 4 4 井架的优化设计 在保证井架的安全工作的前提f ，我们可以对井架进行结构优化设计。通过优化我 们小但可以节省材料和减轻井架的自身重量，还可以提高井架的安全性和经济性。在本 文中，我们主要对井架的型钢类型和尺寸进行了优化处理，希望可以减少钢材的用量， 使井架的自重变小，最大应力降低。 44 1 井架截面的优化 在这咀我们将原来模型分析时采用的槽型钢和矩形钢截面按原来编号改用空心矩形 铡和等边角钢，规格如表4 - 6 所示： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 编号 规格 编号 规格 表4 石优化后型钢规