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鉆機前開口井架的靜力強度有限元分析

發布于:2022-05-26 21:01
有限元分析

      我國石油工程中使用著各種井架,其中絕大多數屬于由細長桿件組成的空間桿系結構。過去常常把井架簡化為平面析架來計算,誤差比較大。近年來,由于電子計算機有限元分析廣泛應用,對于某些類型的井架,例如塔架及A型井架,采用空間銜架模型進行計算,得到了比較滿意的結果。但是,對于3200米鉆機前開口井架則不能簡化為空間析架模型,因為這將使井架模型成為可變體系。近年來,也有人利用空間剛架模型來作井架計算并得到了比較好的結果。然而對一裝配式前開口井架,裝配連接處都是柱型鉸,不能當作剛結點處理。因此,對于3200米鉆機前開口井架的靜力強度和剛度計算,單獨使用上述兩種模型都是不可行的。
      為了使我們的計算更符合前開口井架的實際,我們把前開口井架簡化為局部具有柱型鉸的三維空間剛架系統的力學模型。這樣作,計算雖然比較復雜,但其結果將更符合結構實際受力狀態。在計算中采用了線彈性理論。
      井架主體部分沿高度分為五段,最上面一段為四面封閉的空間剛架,下面四段為八扇平面剛架。在井架背面由可拆卸的橫桿、斜桿與兩側的平面剛架連接。每兩片平面剛架連成一段,共四段。井架背面的橫桿、斜桿與主弦桿采用銷子聯接,井架上下各段之間采用螺檢聯接。井架下面四段截面呈門型,井架下部與底座、人字架相連。
      由于井架是由平面剛架和空間剛架裝配而成,各裝配聯接點依其結構可視為圓柱型鉸鏈。忽略摩擦,允許用單餃聯接起來的兩個桿件自由地繞聯接銷軸線轉動,而樣桿與主弦桿之間是用兩個柱型議聯接的,故可視為剛性聯接,即剛性節點。所有焊接點都視為剛性結點。井架與底座是用圓柱銷子連接的,因此簡化為固定單鉸。井架與人字架是用卡子連接的,因為卡子可能不會太緊,或工作中可能有稍許松動,因此我們簡化為以人字架為支點的可動餃鏈支承。這樣井架就簡化為一個靜不定的大型空間混合結構系統。
      在進行井架靜力分析時,我們采用,主從節點的方法來描述柱型鉸。井架背面的斜拉桿我們視為只受拉壓作用的二力桿,其它主要桿件都作為空間梁單元處理?偣矂澐譃226于單元,124個節點。
      所用材料為高強度結構鋼及角鋼,構件型式為寬翼緣工字鋼。
      我們按上述十種工況,分別對3200米鉆機前開口井架進行了靜力分析。這里只列出幾種主要工況的主要承力桿件的軸力結果。井架主弦桿是主要承力構件,橫桿和斜桿的內力較小。在鉤載、自重、風載作用下,主要受力桿件是井架下部主弦桿。在起升工況中,定滑輪附近的桿件受力較大。綜合考慮各種工況,最大軸力為N=1143.31N,發生在主弦桿5號單元;而最大彎矩M = 23.27kNm,發生在橫桿78號單元。
      用所得內力進行桿件的應力計算,這是十分浩繁的工作。因為有226個單元,10種工況并且對每個桿件來說又是壓、彎、剪、扭的復合應力狀態。為此,我們考慮到桿件細長的特點,剪力和扭矩都比較小,不算剪應力,只算正應力。我們選出內力比較大的六種工況進行計算得到了最大應力值,并畫出主弦桿最大應力分布曲線和位移分布曲線。
      起升井架時,97號桿應力最大;而井架在正常鉆進的第4種工況,33號桿應力最大。從應力分布情況看,起升工況的較大應力分布在定滑輪附近的桿件內,離定滑輪較遠的桿件應力較;鉤載作用下,主弦桿受力較大,特別是在井架下半部各主弦桿應力最大。


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