基于譜元法的石油鉆機(jī)井架動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析.pdf

1、井架是油田進(jìn)行順利作業(yè)的重要組成部分之一，并且是鉆井設(shè)備剛架結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)要求最高、制造難度最大的部分，因此在設(shè)計(jì)階段對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確評(píng)估非常重要。井架工作環(huán)境比較特殊、工況相對(duì)復(fù)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(fēng)激勵(lì)產(chǎn)生的風(fēng)載荷以及鉆具振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)載荷，這些載荷都屬于隨時(shí)間變化的動(dòng)載荷，顯然運(yùn)用靜力學(xué)分析方法來研究井架不符合實(shí)際情況。因此對(duì)井架進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析才能確保井架設(shè)計(jì)與安

2、全評(píng)估更準(zhǔn)確、更科學(xué)合理。本文以HJJ500/47-T型井架為研究對(duì)象，對(duì)其振動(dòng)模態(tài)與基于譜元法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算方法進(jìn)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(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)井架結(jié)構(gòu)定義邊界條件，進(jìn)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(jìn)行井

3、架瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。
　　(2)對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上選擇有限元參數(shù)、施加邊界條件以及根據(jù)載荷-時(shí)間曲線在井架頂部施加載荷，對(duì)井架進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)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(jiǎn)諧載荷的作用及其任意組合下隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力，了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，對(duì)工程實(shí)際具有指導(dǎo)意義。
　　(3)對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析可以進(jìn)行掃頻分析，得到井架結(jié)構(gòu)在固有頻率周圍簡(jiǎn)諧載荷

4、作用下的響應(yīng)。從而探測(cè)共振，指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(jiǎn)諧載荷，并且能夠進(jìn)一步了解井架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，掌握井架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。
　　(4)運(yùn)用譜元法對(duì)井架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)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(guān)的多項(xiàng)式，不能得到有效的高階固有頻率和足夠精確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。采用傳統(tǒng)的有限元法對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)劃分網(wǎng)格數(shù)目龐大，這降低了運(yùn)算效率，而且對(duì)計(jì)算機(jī)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(guān)的多項(xiàng)式，其可以得到結(jié)構(gòu)較為精確的時(shí)域解和高頻部分對(duì)應(yīng)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(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析，將結(jié)果與傳統(tǒng)的有限元法分析結(jié)果進(jìn)行比較，檢驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析符合實(shí)際情況。而對(duì)于求解其固有頻率及相應(yīng)振動(dòng)模態(tài)，傳統(tǒng)的有限元法存在著存儲(chǔ)空間和時(shí)間的問題，采用譜元法進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算效率高并且與A