基于譜元法的石油鉆機井架動態(tài)響應分析.pdf

1、井架是油田進行順利作業(yè)的重要組成部分之一，并且是鉆井設備剛架結(jié)構(gòu)中設計要求最高、制造難度最大的部分，因此在設計階段對井架結(jié)構(gòu)進行合理設計和準確評估非常重要。井架工作環(huán)境比較特殊、工況相對復雜。井架結(jié)構(gòu)承受的載荷不僅包括自身恒載作為靜載荷，還受到提放鉆具的大鉤載荷、風激勵產(chǎn)生的風載荷以及鉆具振動時產(chǎn)生的振動載荷，這些載荷都屬于隨時間變化的動載荷，顯然運用靜力學分析方法來研究井架不符合實際情況。因此對井架進行動態(tài)響應分析才能確保井架設計與安

2、全評估更準確、更科學合理。本文以HJJ500/47-T型井架為研究對象，對其振動模態(tài)與基于譜元法的動態(tài)響應計算方法進行了研究。具體研究的主要內(nèi)容及取得的研究結(jié)論如下:
　　(1)井架有限元模型的建立及其模態(tài)分析。對井架結(jié)構(gòu)進行分析，利用Pro/E與ANSYS軟件建立井架結(jié)構(gòu)的分析模型。然后在ANSYS Workbench中對其進行模態(tài)分析，對井架結(jié)構(gòu)定義邊界條件，進行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過模態(tài)分析得到井架系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型，為進行井

3、架瞬態(tài)動力學分析奠定基礎。
　　(2)對井架結(jié)構(gòu)進行瞬態(tài)動力學分析。在模態(tài)分析的基礎上選擇有限元參數(shù)、施加邊界條件以及根據(jù)載荷-時間曲線在井架頂部施加載荷，對井架進行瞬態(tài)動力學分析。通過分析可以確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的作用及其任意組合下隨時間變化的位移、應變、應力及力，了解結(jié)構(gòu)的振動特性，對工程實際具有指導意義。
　　(3)對井架結(jié)構(gòu)進行諧響應分析。諧響應分析可以進行掃頻分析，得到井架結(jié)構(gòu)在固有頻率周圍簡諧載荷

4、作用下的響應。從而探測共振，指導設計人員避免井架發(fā)生共振，確保井架能夠經(jīng)受不同頻率下的各種簡諧載荷，并且能夠進一步了解井架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，掌握井架結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。
　　(4)運用譜元法對井架結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應進行分析。傳統(tǒng)的有限元法采用的插值函數(shù)是與頻率無關的多項式，不能得到有效的高階固有頻率和足夠精確的動態(tài)響應。采用傳統(tǒng)的有限元法對井架結(jié)構(gòu)進行動力學分析時劃分網(wǎng)格數(shù)目龐大，這降低了運算效率，而且對計算機的內(nèi)存有更高的要求。而譜元

5、法所采用的插值函數(shù)是與頻率有關的多項式，其可以得到結(jié)構(gòu)較為精確的時域解和高頻部分對應的波形，且其低自由度特性能夠提高求解效率。本文采用譜元法對井架結(jié)構(gòu)進行動力學響應分析，將結(jié)果與傳統(tǒng)的有限元法分析結(jié)果進行比較，檢驗譜元法的適用性。
　　井架結(jié)構(gòu)是具有較大尺寸和靈活性的大型空間剛架結(jié)構(gòu)，對其進行動態(tài)分析符合實際情況。而對于求解其固有頻率及相應振動模態(tài)，傳統(tǒng)的有限元法存在著存儲空間和時間的問題，采用譜元法進行數(shù)值模擬運算效率高并且與A