基于优化的在役石油井架承载能力检测仿真研究

1、北京化工大学硕士学位论文基于优化的在役石油井架承载能力检测仿真研究姓名：魏辽申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：颜廷俊20100526摘要基于优化的在役石油井架承载能力检测仿真研究摘要受环境及搬迁影响，石油井架在使用一段时间后会产生多种缺陷，致使承载能力下降，标准规定须进行承载能力检测。目前的检测由于受井架较高、攀爬危险等因素影响，其应力检测布点测量部位集中在位置较低层面。对于使用多年且存在缺陷（特别是较严重缺陷）的井架来说，其测试获得的数据可能不是井架最危险、受力最大的部位，用此数据作基础进行评估计算难免带来误差。为建立与在役石油井架等效的仿真模型，探索井架各类型缺陷对其受力状况

2、的影响，提高模型与实测井架之间应力、损伤缺陷状况等数据的吻合精度，获得在役井架现场承载能力。本文依托有限元分析计算基础，建立了无损伤缺陷井架受力计算模型并进行了仿真分析，得到无损伤缺陷井架受载时应力分布规律，再以仿真分析井架存在局部杆件截面锈蚀、弯曲、大腿整体弯曲及支座沉降等缺陷时井架应力分布特点为基础，提出一种基于井架杆件实测应力与仿真模型应力数值的均方差构建的优化目标函数，以井架缺陷类型、位置、程度等参数为设计变量，杆件材料的许用应力为约束条件，运用零阶和一阶优化算法的模型修正方法。将此方法应用于含损伤缺陷的仿真井架和实验井架，对井架有限元仿真模型进行修正后，通过提取测点处杆件应力，对比实

3、际井架和修正后井架的损伤状况及应力分布，相对误差在左右。表明该方法用于钻井井架结构极限承载能力评定是可行和有效的，为钻机系统的安全运行提供了重要参考依据。北京化工大学硕士学位论文关键词：井架，损伤缺陷，优化，模型修正，承载能力摘要，北京化工大学硕士学位论文；，；，：，北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期：。嘭关于论文使

4、用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：导师签名：日期：勉：幺日期：丛垒坐！兰，丕签第一章绪论第一章前言绪论“基于优化的在役石油井架承载能力检测仿真研究”项目，是中国石油天然气集团于年月审批的中

5、国石油科技创新基金项目，该项目针对现有的井架检测标准中检测方法不完善性及局限性而提出，旨在提高在役石油井架承载能力检测水平及钻井现场安全运行保障能力。项目研究的目的意义石油井架在现场服役多年以后，由于经受日晒雨淋，频繁搬运等影响，会产生各种缺陷，包括井架大腿整体弯曲、支座沉降、局部杆件弯曲与腐蚀、载荷偏心等，使其难以满足出厂时的设计载荷要求。为了安全生产也为了能够科学、准确地评定在役井架的承载能力，标准规定在现场施加一定载荷，使用应变技术测量井架受力。以现场测得的数据为基础进行相关推算和计算，最后得出在役井架的承载能力。这种方法确实解决了现场测试在役井架受力并最终计算出承载能力的问题，但也存在

6、诸多不足：如为安全起见，现场测试人员一般不测量攀爬困难和危险的部位。测量点只布置在几个有限的部位，对于一个使用多年且存在缺陷（特别是较严重缺陷）的井架来说，这样测试所获得的数据可能不是井架最危险、受力最大的部位；再一点就是由于现场施加大载荷困难，无法获得大载荷作用下的试验数据。给评估计算带来误差，影响安全生产。据此，提出了“基于优化的在役石油井架承载能力检测仿真研究”课题。该课题是利用软件的优化算法，结合井架缺陷处理技术，基于实测井架应力及模型修正理论，建立符合实际的仿真模型，施加较大载荷，从而计算出整个井架各千件的受力分布，由此，计算出在役井架的承载能力一该课题对提高石油井架检测技术水平，科

7、学、有效评估在役井架结构承载能力具有重要意义。国内外研究现状及趋势石油钻井井架作为油田重要装备，在钻井作业中发挥极其重要的作用。由于其工作环境恶劣，结构承受动、静载荷较大，受力复杂，因此，诸多学者对井架进行了较多研究。早期的研究大都集中在对井架整体受力状况及模态参数进行人工计算或者有限元有限元分析，从而得到井架应力分布及模态分布状态，找出井架在承受静、动载时其应力、位移最大部位和载荷对井架模态的分布规律的影响，研究了井架各阶振型特点，从而确定井架整体的刚度和质量分布情况，对获悉井架整体受力情况提供了力北京化工大学硕士学位论文学基础【圳。随着研究的深入，指出了有限元的计算结果与现场实测是结果存在

8、较大差异，由此提出了在役井架承载能力计算必须考虑其损伤缺陷的影响【】。对于含损伤缺陷的在役井架承载能力仿真研究，部分学者从静力数据（应力、位移）角度入手，将其作为井架仿真模型修正的输入参数，对结构进行承载能力计算。韩东颖、李子丰等人研究了在役井架的力学特征，以井架杆件测试应力为重要指标，提出了与应力有关的设计参数作为修正对象的有限元模局部型修正理论，基于结构线性屈曲法和几何非线性、材料非线性的双重非线性仿真模型的分析方法，可以较为准确地预测井架危险部位及失稳形式，评价了实验室及现场含损伤缺陷井架的极限承载能力【。；刘金梅、周国强等人针对井架的结构特点和存在的损伤类型，提出损伤指标函数的概念，构

9、建三种常见损伤形式，包括：截面锈蚀、杆件初弯曲、载荷偏心的损伤指标函数，并以此为基础考虑结构双重非线性对井架承载能力影响，从而建立了石油井架承载能力的仿真评价体系训。研究者们试图从静力分析数据及模型修正理论角度寻求建立与含损伤缺陷井架相似和等效的仿真模型，以期通过合适的仿真方法得到该型井架的极限承载能力，由于杆件弯曲等局部缺陷对井架整体静力参数（应力，位移）等影响具有局部性，静力参数对损伤位置不敏感，因此，仅凭静力方法获知局部缺陷井架结构整体承载能力会产生较大误差。鉴于此，许多学者对井架动力特性开展了研究，通过有限元方法分析获得井架动态特性及动力参数（频率、振型）与其承载能力的内在联系卜。其中

10、，刘金梅，周国强等人利用灵敏度分析方法与优化理论，确定井架结构主要承载杆件的修正参数（杆件材料、截面形状和几何尺寸），以试验模态与理论模态之间的残差作为优化修正函数，借助有限元分析软件的优化设计模块和强大的计算分析功能，对井架的仿真模型进行动力参数修正，并用于在役石油井架承载力的预测和安全评估；国外针对在役含损伤石油井架的承载能力研究成果较少，也未涉及到具体的井架损伤识别与模型修正问题【以】。因此，对于含损伤缺陷在役石油井架承载能力研究领域，学者大都专注于单一地以静力（应力、位移）或者动力（频率、模态）测试数据为基础，运用单目标优化算法的模型修正方法对井架模型进行修正，进而分析整个结构的受力，

11、得出井架的承载能力。对于使用静力或者动力参数这种单一工具，由于现场传感器布点数量限制导致采集数据有限，即使运用其它数据处理方法及数学分析工具，也难以将结构损伤全貌勾勒出来，尤其是针对桁架结构，杆杆件数量多、结构复杂，要确定其局部的损伤并准确、科学、可靠地评估出结构承载能力也是困难重重。模型修正技术在桥梁、空间桁架、航空航天等领域发展较早，通过采用合适的优化算法，对含有损伤缺陷的结构进行模型修正，正确分析结构受力，从而可以有效地提高结构承载能力评估精度。向天宇等人根据现场实测静力数据（应力、位移），通过敏感性分析选取合适的修正方式，对现有含有损伤缺陷的梁、大桥、弦支穹项等结构进行了有限元模型修正

12、，并评估了该结构的承载能力。另有不少学者结合结构第一章绪论的动力参数（频率、模态），构建有限元理论分析与实验结果之间数据差异的目标函数，选取结构设计参数为设计变量，利用收敛速度快、收敛精度高的优化算法对结构进行有限元修正，得到与实际结构损伤状况及动力参数一直的仿真模型，为结构的损伤识别与健康监测提供基础计算模型射。】。国外学者对模型修正与损伤识别技术的研究也是集中在建筑结构上，通过采集结构的相关静力或者动力参数，进行有限元模型修正，在理沦和实际应用方面都获得了相应的成果，等人主要是使用动力参数对桥梁等有限元模型进行了修正，并用于结构的损伤识别【】；等人实测现场结构静力数据，并使用模型修正方法对

13、桁架、弧形结构、梁结构等的某些损伤缺陷诸如螺栓联结松动等进行了损伤识别，表明该方法用于结构的基于模型修正的损伤识别中是可行的。文献列举了以桥梁等结构静力试验实测值为依托，和已建立的有限元模型给出的计算值进行对比、优化，从而得出精确的有限元模型。有限元模型修正技术就是要充分利用结构试验和有限元分析二者的优点，用少量的结构试验获得的数据对有限元模型进行优化修正，从而获得比较准确的有限元模型。如上所述，利用有限元优化方法进行模型修正在航空、桥梁等领域得到广泛应用，并未涉入到石油井架；国内对井架的模型修正体现在：一是将各缺陷以函数形式或者参考的统一折减系数定量化加在模型中进行各缺陷对井架受力的影响研究

14、；二是在建立的模型中通过人工不断修改井架壁厚等设计参数从而改变井架受力大小，直到与测试数据一致为止。前者奠定了缺陷对井架受力影响的研究基础，后者的研究更进一步，但工作量大，费时费力。国外对井架检测只是检测有关参数，并进行故障诊断，并为涉及井架模型修正的问题。因此，利用有限元优化方法进行石油井架模型自动修正，方便、快捷，使建立的模型更接近于在役实测井架，其得出的数据应用在井架检测评估计算中将更加科学和准确。研究的主要内容（）基于现有井架图纸，建立无损失缺陷型井架有限元仿真计算模型，并总结无损伤缺陷井架受力特点与应力分布规律。（）调研井架存在各类主要缺陷，制定各类缺陷仿真、等效方法，利用软件仿真计

15、算井架存在单一或者组合缺陷时其应力分布及承载能力。（）建立含损伤缺陷参考仿真井架，并以相应层位单元杆件应力为实测应力为基础，采用优化算法对仿真井架模型进行修正，得到与参考仿真井架损伤缺陷及应力分布相似的仿真计算井架，并计算出该含损伤缺陷参考仿真井架的承载能力。（）根据实际井架图纸，制作实验室试验井架缩微模型，比例为：，并利用采用应变测量方法测试井架不同载荷下相应层位杆件应力，并采集、整理相应数据。（）以实验室井架应力测试数据为基础，利用优化方法对所建立的实验井架仿北京化大学硕二学位论文真计算模型进行修正，得到与实验井架损伤缺陷及应力分确计目似的仿真井架，并计算出该实验井架的承载能力。（）对比以

16、参考仿真井架和实验井架应力数据为基础得出的井架承载能力，分析基于实测应力数据与优化算法的承载能力评估方法的可行性。（）根据现场在役钻机井架（型）图纸，在软件中建立无损伤缺陷的计算机仿真模型，通过采集现场井架加载后相应层位应力数据，利用前述优化方法对现场井架的仿真模型进行修正，并以修正后模型为基础评估该在役井架的承载能力。研究的关键技术（）应用软件建立井架承载能力分析的仿真模型（）解决在役井架存在不同缺陷时其仿真分析处理技术问题。（）基于实测井架应力数据，与仿真建立的井架模型的应力数据构建模型修正优化目标函数。（）井架结构模型修正优化算法。第二章无损伤缺陷石油架有限元分析技术第二章有限元分析软件

17、无损伤缺陷石油井架有限元分析技术为了准确获得石油井架承载能力，可行且有效的方法是运用有限元分析软件，对井架进行加载仿真计算。有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。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

18、、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。有限元建模基础利用可以对井架进行应力、变形和承载能力分析。对于石油井架的有限元分析，要获得可靠分析结果，必须建立合理的分析模型、选择正确的分析理论。因此，从石油井架总体的分析方法考虑，可以按实体建模分析，也可以按线性单元模型进行分析。根据石油井架的结构特点，可以将其简化成为空间刚架分析模型。单元类型选择基于软件进行有限元计算分析时，最为关键的步骤是确定分析类型、选择单元类型。现行的刚架结构研究与分析方法中，单元分析类型一般采用线性单元，而具备了较为全

19、面的单元析类型库，其中包含了多种线单元类型，每种单元类型具有较为完备且针对性极强的计算理论。确定线性单元分析类型之后，考虑到井架各杆件受力较为复杂，同时承受轴向力和弯矩作用，因此选用这种三维弹性梁单元作为有限元分析对象。单元理论基础北京化工大学硕士学位论文梁单元为空间钢架单元，次单元具有两个节点，在每个节点上有个自由度，即沿、轴方向的平动自由度和绕、轴的旋转自由度。可选择的节点用于该单元在空间的定位。该单元可用于分析承受拉、压、弯、扭等的单轴受力，其自由度分布为图所示。图梁单元自由度分布。（）单元刚度矩阵【】艇删巳对称的乞】勺，忆。俐乞叫勺忆，。，式中：横截面积一弹性模量三一单元长度一剪切模量

20、，一喷慨侄织汐，。一输入扭转惯性矩以一极惯性矩第二章无损伤缺陷石油井架自限元分析技术口（，力）；口（，统）；吃（，吟）（，办）；乃厂（，唬）印纠尚（，）而丽棚）端巾，）可（可）孟一，办历万览历一方向的转动惯量工一一第个方向上的标准剪切面积。可一剪切粘度质量矩阵如式（）佑以以乃彳对称的”（）髟【】佰彳乃芝母以佑哆以仃爿一也疋式中：，（）（拥）北京化工大学硕士学位论文一密度一单位长度的质量矿一预应变彳（艺，影）：，彳（，纯）：芝召（乞，方）（乞，哆）；，（，吮）“，力型铲召（删）盟矿一一痧一口一。，击、一昙云三喜（，）击、一）（旦旦去矽（去一丢（，三）三（，痧）矽矽【）呻纠：匝乒垃砷纠：堕笪等型业

21、砷纠：盛生等型唑。：序删半径乞序删半径单元局部坐标系与整体坐标系转换关系为：第二章无损伤缺陷石油井架有限元分析技术式中，）一单元局部坐标系中位移向量“卜氆体坐标系中位移向量【疋】【】定义如下：一其中：，扒是舻舻墨墨墨（一墨岛）岛（一墨是一）（）墨等鲫冯足孕岛（）学加觋如寺（）五一节点的坐标，依次类推；在平面上长度的投影；：口整体坐标与局部坐标的相位角；如果给出第三个节点，则不需要使用秒。原点到节点的向量圪）原点到节点的向量巧）原点到节点的向量北京化工大学硕士学位论文圪与总体坐标轴平行的单位向量。圪巧巧）节点与之间的向量（）圪）一）沿局部坐标系中轴的向量（）巧圪×（）圪圪。（）在整体坐

22、标系下单元刚度矩阵变为：墨糊心【】【墨】【疋】（）【。】陬丝】【】（）【疋】【砭】【瓦】”（），【砟）（）（【疋】被定义为大变形）。（）应力计算第端的截面应力：矿：（）彳、其中：万芦截面应力。；一横向力弯曲应力：蟛等（）蟛等（）第二章无损伤缺陷石油井架囱限元分析技术盯擘一第端梁的侧单元上方向上的弯曲应力；盯浮一第端梁侧单元上方向上的弯曲应力；“一端轴单元上的转矩；：；一端轴单元上的转矩；乞一单元方向上梁的厚度；，一单元方向上梁的厚度；最大、最小应力分别为：矿矿嘭略（）矿矿一睹嗜（）如果单元横截面为矩形，则横截面的最大与最小应力出现在边缘上；如果横截面为其它形状，例如椭圆，则必须将式（）和（）采

23、用其它合适的表达式替换。对于长的单元，当其存在如加速度和压力等非集中载荷时，则单元两端不出现应力极值而其中间的地方出现应力极值。的坐标系软件提供了供用户选择的多种坐标系，分别如下：总体坐标系和局部坐标系：用来定义节点、关键点等几何形状参数的空间位置。显示坐标系：用于列表和显示几何形状。节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据方向。单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据方向。结果坐标系：节点或单元结果数据在列表或显示时所采用的特殊坐标系，默认时为整体坐标系。软件预设了三种总体坐标系，即：直角坐标系（迪卡尔坐标系）、柱坐标系和球坐标系，其中坐标方向均符合右手定则（拇指指向，中指指向，

24、食指指向），各坐标系具有共同的原点。在系统中，它们用坐标系编码来识别，即：是直角坐标、代表柱坐标、代表球坐标，缺省方式为直角坐标系，用户也可以自己定义任意多种坐标系，但在某一时刻只能激活一个坐标系。北京化工大学硕士学位论文图坐标系右手定则梁单元坐标系一般通过两个或三个节点（，）定义一个梁单元，其中单元起始节点为，单元终了节点为，单元的参考点为。图对梁单元坐标系统进行了详细解释。在进行定义单元时，必须遵循梁单元坐标系统准则。如果节点未定义，则表示单元坐标系的轴方向与空间坐标系的轴方向相同，同时，在定义节点时其与、节点不能共线。在单元局部坐标系中，其轴方向为节点到节点方向，轴在节点、和构成的平面上

25、且与轴垂直，轴可以应用右手定则（大拇指为轴，中指为轴，则食指指向轴）确定。在局部坐标下，将梁单元轴向方向始终定义为轴，这一规定对定义和计算轴惯性矩和轴惯性矩具有极大帮助。梁单元属于线性单元范畴，在依托梁单元进行有限元分析时，其截面惯性矩是极其重要的参数，在的规定中，截面惯性矩是一般是通过实常数方式给出的。对于空间刚架结构来说，各杆件垂直杆长方向（杆件轴向）的截面存在两个方向惯性矩，这两个惯性矩与整体坐标系之间的关系不是一一对应的，因此这是定义梁单元时的需要引起注意的关键技术之一。第二章无损伤缺陷石油井架有限元分析技术图粱单元坐标原理图实常数定义根据软件相关规定，利用梁单元进行有限元分析时，需要

26、用户输入的实常数包括对轴的惯性矩、对轴的惯性矩、截面面积、梁方向的厚度、梁方向的厚度以及梁的线质量。对于惯性矩的计算，需要根据不同截面形状的材料进行计算获取。对于石油井架大腿主肢及斜撑、横撑等结构，常用材料的截面形状包括：形型钢、空心矩形型钢、槽钢、工字钢、角钢、圆管等，其惯性矩的计算可查阅材料力学中相关公式。如表、图中所示给出了钢架结构截面实常数的计算实例。表刚架结构的实常数实例北京化工大学硕：上学位论文图刚架结构简例访向方向从方向看杆梁截面形状坊一，向从方向看杆粱截面形状（）梁单元定义图梁单元通过节点定义原则也第二章无损伤缺陷石油架有限元分析技术在定义梁单元时，通过线性杆件的两个端点、和一

27、个参考点，构成一个线单元。如果不定义参考节点，表示单元局部坐标轴同空间坐标轴方向相同。为了保证定义单元的准确性，我们在建立井架单元时所有的梁单元都定义参考节点。、和三个节点必须构成一个平面，参考节点的选择必须注意不与、两节点共线。图刚架结构，单元节点、分别为、时，可选择参考节点有、，选择那个节点作参考点在于个人习惯原则。对于空间斜杆单元在、构成的垂直或水平平面内，选取参考点时，一般将参考点选择在其平面内水平或垂直杆件的一个节点上。有限元模型分析计算石油井架有限元计算的几何模型依据现有图纸，利用，将井架结构模型整理成线性图，从图中确定各杆件的连接点的坐标及关键点编号。石油井架有限元计算实常数定义

28、实常数包括：截面面积（）、对轴惯性矩（）、对轴惯性矩（）、方向梁厚度（）、方向梁厚度（“）。通过内部命令菜单，将准备好的各种杆件实常数输入到有限元计算模型中。建立节点和定义单元井架杆与杆焊接连接点即可视为中的节点，在图纸中对每个节点进行编号：井架空间刚架结构，选用三维弹性梁单元，通过节点之间直接连接形成线性单元。有限元计算的边界条件在进行石油井架有限元分析计算时，其边界条件包含位移边界条件与载荷边界条件，通常进行分析时，只需确定井架的项部节点载荷与底部铰支处约束即可，具体如下：（）井架位移边界条件大腿主肢支脚处为固定铰支。对于型井架，其底部共四个铰支，主肢两个，人北京化工大学硕：学位论文字架两

29、个，均是全约束。（）井架载荷边界条件对于现场石油井架来说，其所受力主要来源于大钩载荷。将其最大静载荷均匀施加在井架顶端的四个节点，为了计算的简便，不考虑井架承受的风载及二层台载荷。通过施加边界条件，运用的求解模块即可分析得出井架各杆件的应力及变形。结果后处理（）节点力输出输出整体坐标下节点力，包括，三个方向的力和弯矩（、）（）节点位移输出输出整体坐标下节点位移，包括，三个方向位移（、）。（）单元应力输出三维弹性梁单元杆件应力输出，是以线单元的两个节点为目标的。模型参数化技术与语言模型参数化技术是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约束尺寸的关系，设计结果的修改受尺寸驱动的影响，所以也

30、称为参数化尺寸驱动。因此，在对井架进行有限元建模及分析，以及后续的优化设计过程均可以采用语言编程，实现有限元分析与仿真的程序化。无损伤缺陷井架受力计算井架技术参数以钻机井架为例，其主要技术参数：以型井架为例，井架高度：，井架大腿、正面横撑及侧面段与段连接处横撑采用矩形钢，正面斜撑采用圆管，侧面斜撑及除段与段连接处以外横撑采用角钢，顶部框架采用型工字钢，钢架整体采用钢材，其材料弹性模量，泊松比。设计载荷：，模型简化方案第一无拭伤挑“粜仃，“扯术（）井架视为空间桁架结构，每根杆件视为仿真计算中的一个计算单（）二层台、天车及工作梯的质量忽略不计。（）无风载、无立根载荷等，井架大钩载荷平均分配到井架顶

31、部四个节点。（）杆件各节点之间为刚性联结。（）井架底座铰支与地面为全约束。建立井架仿真模型纩。孟菸）轴测图正视酬（）删视图（曲（砷（）图型井架模示意削为了便于后文对节点号及单元号描述，列出井架主肢的节点及单元编号，如图所示北京化工大学硕士学位论文图井架主肢节点及单元号（带括号数字为单元号，不带括号数字为节点号）（耐，）筇章±伤缺陷颦青正分析技术仿真计算结果在最大载荷下，井架的变形图如图，应力图如图，前个较大应力的单元杆件如表。由表中数据可知最大应力发生在井架上段与中上段连接处的、单元最大应力值分别为和，材料屈服极限值为，井架在最大载荷下的安全系数为，井架工作安全可靠。次最大应力发生在

32、、单元应力值为和，安全系数为左右，井架工乍安全可靠。另外井架前部大腿靠近底座处主肢受力较大，属于井架受力主要部位。（）前视（曲。嚣÷÷）视酉井架加载后变形图（虚线为变形前，实线为变形后）（肿自）（）下部（曲（中部）囝井絮各部位应力云图（）上部（）北京化大学硕。学位论文表无损伤缺陷井架应力较大杆件（单位：）有限元建模与分析主体程序为了后续研究的方便，必须建立井架的参数化模型，通过编写程序建立井架的参数化模型，能方便地修改井架相关参数从而达到更新模型的目的，这样能大大节约建模时间，提高分析效率，这样为后续的优化分析奠定了基础。型井架建模及分析主体的详见附录一。小结（）通过对无损

33、伤缺陷井架的有限元建模、分析，得知井架在受载情况下，井架段与段之间连接处应力较大，应予以特别关注，另外井架前部大腿靠近底座处主肢受力较大，属于井架受力主要部位。（）建立了井架有限元分析的参数化程序，为后续研究中适时修改模型提供了便利，其中利用循环语句突出解决了由于井架单元杆及节点较多，建模复杂的问题，为实现参数化建模提供了新的模式。第三章含损伤缺陷型井架有限元分析第三章含损伤缺陷型井架有限元分析井架在服役一段时间后会产生局部杆件锈蚀弯曲，井架夭腿整体弯曲、支座沉降及载荷偏心等损伤缺陷。为准确确定各类型损伤缺陷对井架整体应力分布的影响规律，需要采取有效的缺陷仿真技术。为后文表述方便，将井架四个大

34、腿编号如图所示。图井架大腿编号顺序图锄损伤缺陷模型的建立及程序实现杆件局部锈蚀此类缺陷主要是由于井架长时间在野外工作造成的。该缺陷通过缩减杆件截面壁厚的方法实现，缩减量定义为一个缩减比例因子，并将其作为编程语句中变量。即定义井架杆件单元截面形式命令时，将其纳入命令参数中，通过修改值，可实现杆件局部不同锈蚀量。井架大腿截面腐蚀如图所示，其腐蚀量为砌，导致其横截面积减少，图中虚线为井架出厂时大腿截面轮廓线，实线为腐蚀后的轮廓线（假定井架大腿截面是均匀腐蚀）。图井架大腿不同截面锈蚀示意图：匕京化上学论针对杆件局部锈蚀，在程序里实现方法为定义火腿截面变化系数。定义大腿截面厚度吖、，参数化火腿截面杆件局

35、部弯曲该缺陷主要是由千在搬迁及其它原因所致。为方便处理，将杆件局部弯曲处理成圆弧，实现方法是利用命令将原杆件两端点及弯曲半径作为输入参数，弯曲程度可用圆弧半径控制，同时将弯睦杆件等分为个小杆件相连，材料性质与单元类型与原杆件相同，用循环命令实现不同杆件不同弯曲量大大节省建模时间。如图中中单元所示这样的处理方式使得杆件发生局部弯曲之后尽可能使仿真模型拟舍出来的弯曲状态与实际状奋吻合。图井架局部轩件弯曲示意及仿真替代示意图杆件局部弯曲在语言里实现方法是将弯曲杆件使用命令，使得单元杆件弯曲成一定弧度。井架整体弯曲第节古损伤聃陷型井架宵肥甜析由于井架在现场工作时频繁加载、卸载，加之由于运输或者安装过程

36、中磕碰等原因，导致大腿出现整体弯曲。井架作为一个整体受压构件，其弯曲形状基本分为类，通过计算分析和现场实测，本文以呈圆弧形的弯曲形式进行仿真计算。运用编程建模时按照井架整体划分段，且每段平均划分为层，将各段首末两层节点方向坐标值设定为，中间层节点偏离方向坐标为变量同时也是井架大腿各层弯曲的最大偏移量，中间层与首末层之间的节点偏离方向坐标变量为。井架整体弯曲效果图如图所示：（）整体视图（）局部视图咖固一井架大腿整体弯曲效果图：井架整体弯眭形式足根据无缺陷井架的仿真变形结果来确定，通过修改变形后大腿单元杆件节点坐标实现，其程序实现程序如附录二。支座沉降由于井架安装误差等原因井架底部两个铰支及人字架

37、不处于同水平位置，因此导致其整体出现支座沉降，此时井架所受钩载为偏心载荷。依据现场实测数据，井架支座的沉降一般为左右沉降，因此运用仿真时，仅考虑型井架的左右沉降。具体实现是定义一个偏移角度变量，让井架绕旋转轴左右旋转角度，表示井架底部铰支出现沉降。井架支座沉降如图所示，设任意一节点坐标为（，），其绕原点偏移，偏移角度为（），偏移后的节点坐标为（，），其偏移前后的计算公式如下：北直化人学碗学位论女×（一口）×（），×（一）一（）、井架沉降效果如图所示。图井架支座沉降原理图，一因蒜嘲图主体程序详见附录兰。因良国，井架支座沉降效果围在程序语言里，通过定义一个偏转变量，井

38、架所有节点坐标均是这个变量的函数，通过调整变量的值即可实现井架不同角度的偏转，也即沉降量的大小。各损伤缺陷对井架大腿受力的影响分析第三章含损伤缺陷型井架有限元分析型井架在载荷作用下，其最大受力部位为井架大腿，它的强度大小决定整个井架的承载能力。因此，在进行含损伤缺陷井架模型仿真时只考虑各缺陷发生在井架大腿的情况。大腿杆件共分为个单元，在探究杆件受不同程度损伤时的应力规律时，分析次数较多，因此对大腿每个杆件单元进行局部缺陷仿真时，需要利用循环控制语句，同时系统循环重新建模，加载，分析等，并在一个循环结束后提取大腿各个单元应力值，存入一个维数组。其中为大腿单元数，共循环次。由于型井架属于左右对称结

39、构，因此只需仿真井架单侧前后大腿杆件缺陷对应力影响规律即可。同一损伤程度下，程序循环次数即为单侧前后大腿杆件单元数。截面锈蚀缺陷对井架大腿受力的影响分析井架大腿发生局部杆件截面锈蚀，使得截面尺寸减小，必然引起大腿应力发生变化，在此考察型井架应力较大的前腿杆件，经仿真计算发现，局部杆件锈蚀率分别为、时，该杆件自身应力增大，但不会对其他杆件及井架整体应力产生明显影响。随着锈蚀率增大，同一个杆件单元应力随之增大，以号大腿上段受载较大的号单元杆件为例，在同一载荷下，杆件截面锈蚀率为，、时应力变化如图所示，基本成线性规律。盘翅恨番杆件单元锈蚀率，图号单元不同锈蚀率下应力变化趋势电局部杆件弯曲缺陷对井架大腿受力的影响分析假设井架局部杆件朝井架开口方向弯曲，即朝模型中的轴方向弯曲。弯曲挠度为，弯曲量每隔递增，编写循环建模、求解程序，将计算结果保存成结果文件，实现局部杆件弯曲缺陷仿真。井架模型大腿共分为个单元，弯曲杆件细分为个单元，因此，仿真结果文件里存在个单元的数据。在对数据进行处理时，需注意杆件弯曲，结果文件里单元号为，的单元对应弯曲前的号单元。经分析计算得知，井架局