基于谱元法的石油钻机井架动态响应分析

【摘要】井架是油田进行顺利作业的重要组成部分之一,并且是钻井设备刚架结构中设计要求最高、制造难度最大的部分,因此在设计阶段对井架结构进行合理设计和准确评估非常重要。井架工作环境比较特殊、工况相对复杂。井架结构承受的载荷不仅包括自身恒载作为静载荷,还受到提放钻具的大钩载荷、风激励产生的风载荷以及钻具振动时产生的振动载荷,这些载荷都属于随时间变化的动载荷,显然运用静力学分析方法来研究井架不符合实际情况。因此对井架进行动态响应分析才能确保井架设计与安全评估更准确、更科学合理。本文以HJJ500/47-T型井架为研究对象,对其振动模态与基于谱元法的动态响应计算方法进行了研究。具体研究的主要内容及取得的研究结论如下：(1)井架有限元模型的建立及其模态分析。对井架结构进行分析,利用Pro/E与ANSYS软件建立井架结构的分析模型。然后在ANSYSWorkbench中对其进行模态分析,对井架结构定义边界条件,进行网格划分,经过模态分析得到井架系统的固有频率和模态振型,为进行井架瞬态动力学分析奠定基础。(2)对井架结构进行瞬态动力学分析。在模态分析的基础上选择有限元参数、施加边界条件以及根据载荷-时间曲线在井架顶部施加载荷,对井架进行瞬态动力学分析。通过分析可以确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的作用及其任意组合下随时间变化的位移、应变、应力及力,了解结构的振动特性,对工程实际具有指导意义。(3)对井架结构进行谐响应分析。谐响应分析可以进行扫频分析,得到井架结构在固有频率周围简谐载荷作用下的响应。从而探测共振,指导设计人员避免井架发生共振,确保井架能够经受不同频率下的各种简谐载荷,并且能够进一步了解井架结构的稳态受迫振动,掌握井架结构的动态性能。(4)运用谱元法对井架结构的动态响应进行分析。传统的有限元法采用的插值函数是与频率无关的多项式,不能得到有效的高阶固有频率和足够精确的动态响应。采用传统的有限元法对井架结构进行动力学分析时划分网格数目庞大,这降低了运算效率,而且对计算机的内存有更高的要求。而谱元法所采用的插值函数是与频率有关的多项式,其可以得到结构较为精确的时域解和高频部分对应的波形,且其低自由度特性能够提高求解效率。本文采用谱元法对井架结构进行动力学响应分析,将结果与传统的有限元法分析结果进行比较,检验谱元法的适用性。井架结构是具有较大尺寸和灵活性的大型空间刚架结构,对其进行动态分析符合实际情况。而对于求解其固有频率及相应振动模态,传统的有限元法存在着存储空间和时间的问题,采用谱元法进行数值模拟运算效率高并且与ANSYS仿真相结合分析,不仅弥补了传统有限元法的不足,而且拓宽了谱元法的应用领域。
【作者】刘晓芬；
【导师】吴卓；
【作者基本信息】兰州理工大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】钻机井架；模态分析；动载荷；动力学分析；谱元法；

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