米博体育平台大庆石油学院硕士学位论文石油钻机井架动态响应研究姓名：****请学位级别：硕士专业：安全技术及工程指导教师：**庆20050225大庆石油学院硕士研究生学位论文石油钻机井架动态响应研究摘要在油田钻探中，石油钻机井架是钻机起升设备的重要组成部分之一，起着安放天车，悬挂游车、大钩及专用工具，在钻井过程中完成起下钻、下套管等操作诸项作用。井架结构所承受的载荷除了自身恒载作为静载荷外，还要承受提放钻具的大钩载荷、风激励产生的风载荷以及钻机振动时产生的振动载荷等作用，这些载荷都是随着时间变化的动载萄，面现有的理论研究多偏重于运用静力的方法来完成，忽略了特殊情况下的纵向冲击和正常工作阶段受周期性持续载荷等时间载荷的作用。传统的静力分析方法显然不够准确、全面，所以只有以动载荷作为井架结构所承受的实际载荷来研究井架的动力特性，才能使井架设计与安全评定等理论更准确、更科学合理。本文主要以前开１３钻机井架为对象，根据弹性体理论和模型等效原则建立了用于动态特性分析的井架系统动力学模型。并根据井架结构特点和工作实际将其划分为特殊工作状态和正常工作状态两种工况，通过概率统计方法．以大钩载荷为统计变量获得井架竖向载荷概率模型，继而采用国内惯用的编谱原则，编制符合实际的瞬态冲击载荷历程和周期性试验用程序载荷谱，对钻机并架迸行了瞬态动力学分析与动态响应计算，得到了井架在动载作用下的变形和应力变化。以及井架顶部、二层台和人字架等主要部位在不同方向的时间响应变化规律和振动特性。模态分析作为结构动力特性研究的一种近代方法，逐渐成为现代工程领域动态分析与设计的核心，它所决定的结构固有频率和振型，正是结构承受动态载荷结构设计中的重要参数，故而成为其他诸如瞬态分析等动力学分析的起点。本文利用有限元方法完成了钻机井架的模态分析，获得前十阶固有频率和振型，并在此基础上进行响应谱分析，得到井架的频率响应特性。关键词：钻机井架：模态分析；冲击载荷：瞬态振动；载荷谱；动力响应＾ＢＳＴＲＡＣＴＳｔｕｄｙｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇｄｅｒｒｉｃｋＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｏｉｌｆｉｅｌｄｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｒｉｇｄｅｒｒｉｃｋｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｈｏｉｓｔｓｙｓｔｅｍ．Ｐｅｏｐｌｅｃａｒｌｉｎｓｔａｌｌｃｒｏｗｎｂｌｏｃｋａｎｄｈａｎｇｔａｃｋｌｅ，ｈｏｉｓｔｉｎｇｈｏｏｋａｎｄｓｐｅｃｉａｌｔｏｏｌｓｏｎｉｔ．Ｄｕｒｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｗｏｒｋｅｒｓＣａｎｃｏｍｐｌｅｔｅｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｍａｋｉｎｇｔｒｉｐ，ｃａｓｉｎｇｒｕｎｎｉｎｇａｎｄＳＯｏｎ．Ｂｅｓｉｄｅｓｔｈｅｄｅａｄｗｅｉｇｈｔａｓｔｈｅｓｔａｔｉｃｌｏａｄ，ｄｅｒｒｉｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｕｓｔｕｎｄｃｒｇｏｈｏｏｋｌｏａｄｉｎｔｒｉｐｐｉｎｇ，ｗｉｎｄｌｏａｄｏｕｔｄｏｏｒｓａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｌｏａｄｗｈｅｎｄｒｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｓｒｕｎｎｉｎｇ．Ａｌｌａｂｏｖｅａｒｅｄｙｎａｍｉｃａｌｌｏａｄｓｗｈｉｃｈｖａｒｙｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｉｍｅ．Ｍｏｓｔｒｅｓｅａｒｃｈａｔｐｒｅｓｅｎｔｌａｙｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒｓｔｒｅｓｓｏｎｓｔａｔｉｃｍｅｔｈｏｄｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｉｍｐａｃｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄｉｃｌｏａｄｓｉｎｗｏｒｋｐｈａｓｅｓ，Ｓｕｃｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｔａｔｉｃｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｎｏｔｅｘａｃｔａｎｄａｌｌ－ａｒｏｕｎｄ，ＳＯｍｏｒｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅｉｎｄｅｒｒｉｃｋｄｅｓｉｇｎｓａｆｅｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｆｏｒｄｅｓｉｇｎｅｒｓｄｙｎａｍｉｃａｌｌｏａｄａｓｔｈｅｔｒｕｅｌｏａｄａｃｔｅｄｏｎｄｅｒｒｉｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｉｔｓｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｂｕｉｌｄｓｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇｄｅｒｒｉｃｋｂｙｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｅｌａｓｔｉｃｂｏｄｙａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｏｄｅｌｅｑｕｉｖａｌｅｎｔａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｅｓｔｗｏｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｏｄｅｓｅｓｐｅｃｉａｌａｎｄｎｏｒｍａｌｍｏｄｅｓ，ｂｙｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒａｎｄｗｏｒｋｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｄｅｒｒｉｃｋＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｂａｓｅｄｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｓｔａｔｉｓｔｉｃｓａｎｄｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｅｌｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｌｏａｄｓ，ｔｈｅ也ｅｓｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｔｈｅ１０ａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｐｅｒｉｏｄｉｃｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｏｕｒｓｅｉｎｔｉｍｅｉｍｐａｃｔ，ｔｈｅｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｔｄｒａｗｓｓｏｍｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｅｓｓｏｆｄｅｒｒｉｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｓ，ａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｕｌｅｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｓｓｕｃｈａｓｔｏｐ，ｒａｃｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓｔｒｕｔｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇ嗯ｄｅｒｒｉｃｋＭｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｎｅｋｉｎｄｏｆｌａＲｅｒ－ｄａｙｔｈｅｏｒｙｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎｄｎｏｗｂｅｃｏｍｅｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｒｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｎｄｍｏｄｅｓｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈｅｓｔａｒｔｏｆａｌｌｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｒａｎｓｉｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｓｔｈｅｍｏｄｅａｎａｌｙｓｉｓｒｉｇｄｅｒｒｉｃｋｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｇｅｔｔｉｎｇｔｈｅｆｒｅｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｐｒｅｃｅｄｉｎｇ１０ｓｔｅｐｓａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓ，Ｆｉｎａｌｌｙｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓ，ａｌｓｏｇｅｔｔｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｂｅｔｗｅｅｎｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｔｈｅｄｃｒｒｉｃｋｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇｄｅｒｒｉｃｋ；ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｉｍｐａｃｔｌｏａｄ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｌｏａｄｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ 大庆石油学院硕士研究生学位论文 绪论 石油井架是石油装各的重要组成部分。其结构分析理论和承载力研究涵盖了采油工程、机械工程 和力学等领域，多年来，以石油井架等采油装备为代表的结构设计与评价均把静强度作为主要准则， 按照使用条件下不致破坏作为设计的标准，单方面一味的加大安全系数，从而使设计、评估等工作偏 于保守：另一方面，采用加大结构重量和尺寸的传统办法．使得结构变得庞大、笨重，大大增加了成 本，从而造成结构设计的不合理，随着现代生产技术的进步，机械性能和效率的提高，高速、轻量、 大型、复杂的设计成为趋势，因此结构设计、评价时不仅要考虑设计对象的静态特性。还需考虑其动 态特性。故而动态特性的分析理论和结构动力分析方法成为推动机械伟４造业走向现代化的重要力量， 并得到人们的普遍重视和广泛应用。 一、结构动力分析方法与有限元分析技术 工程实际中，结构动力分析方法主要是用来求解随时间变化的载荷对结构或者机械部件的影响。 它与静态分析所不同的是，动力分析要考虑随时间变化的力载荷及阻尼和惯性的影响．如旋转机械产 生的交变力，爆炸产生的冲击力，地震产生的随机力等。这样，使实际的工程受力问题包含了时间变 量，细化了边界条件，计算过程逐渐复杂化，而传统上将问题划归为在一定的边界条件下求解基本微 分方程的思维便遇到了障碍．因为对于那些数学方程比较复杂，物理边界形状又不规则的问题，采用 解析法求解显得很困难。对复杂结构的分析．唯一的途径是应用数值法来求出问题的近似解【ｃＪ。采用 数值模拟技术对结构进行受力和响应分析，就能在设计或加工制造前预知结构的危险部位，预测结构 的大概破坏情况，从而采取解决措施。常用的数值求解方法有：有限单元法、有限差分法、边界单元 法和加权残数法等。从实用性和使用范围看，有限单元法是随着计算机发展而被广泛应用的一种有效 的数值计算方法“ｊ。 （一）有限元方法 有限单元法的思想最早出现于２０世纪４０年代初期，２０世纪６０年代末７０年代初有限单元法趋于 成熟，并开始陆续出现商业化的有限元分析软件。到８０年代初期，国际上已经存在包括ＡＮＳＹＳ、 ＮＡＳＴＲＡＮ、ＡＤｔＮＡ、ＳＡＰ等在内的上百种用于结构分析的大型有限元通用软件；其主要作用是对多 种类型的工程和产品的物理学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新。 有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点， 将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体，在每一个单元中假设特定的插值函数，建立 用以求解节点未知量的有限元法方程组。同时追加边界条件进行求解，在此基础上最终确定单元乃至 整个集合体的变量值。其实质上是一种适用于一般连续体分析的矩阵分析方法，它的物理概念和分析 过程与杆件体系的矩阵分析法基本上是一致的。 （二）有限元法的应用 目前，有限元法的应用领域越来越广。现在已应用于结构力学（包括线性和非线性）、结构动力学、 热力学、流体力学、电路学和电磁学等。同时已经出现了不同的结合领域，诸如流体与结构力学，电 路学与电磁学的结合，并己广泛用于铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防 军工、电子以及日用家电等～般工业及科学研究。国际上以ＡＮＳＹＳ为代表的ＣＡＥ软件主要对工程和 产品进行如下性能分析、预报及运行行为模拟州。 （』）静力和拟静力的线性与非线性分祈：包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、蠕变、 几何大变形、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。 （２）线性与非线性动力分析：交变、冲击、地震、振动模态、米博体育谐波响应、随机振动、屈曲，以及各 种运动载荷作用下的动力肘程分析。 （３）稳态与瞬态热分析：包括传导、对流和辐射状态下的热、相变及热～结构耦合分析。 （４）静态和交变态的电磁场和电流分析。 （５）流体计算：常规内外场韵层流、端流、热一流耦合及流一闾耦合分析。 （６）声场与波的传波计算， （三）有限元法的分析过程 首先，整体结构的离散亿。将所研究系统离散化为离散系统，使之只具有有限多个自由度，宏观 结构离散成有限个具有某种特性的单元，在同一坐标系内计算节点坐标，并获得单元和节点编号。 其次，建立单元刚度矩阵。选择简单且与单元类型相应的位移函数近似地表示每个单元上真实的 位移分布，将所有作用在单元上的力（如表面力、体积力、集中力）等效地移置为节点载荷，利用变 分原理，建立单元平衡方程组，从而确立单元贝４度矩阵。 接下来，把各单元的等效节点载荷向量集合成总的载萄向量，把整体结构的各单元矩阵方程合并 成一个整体的矩阵方程，组集各单元的刚度矩阵为整体刚度矩阵。 最后，引入约束条件．对结构的总体矩阵方程求解，得到各节点的位移，进而计算出节点的应变 和应力。 二、选题的背景 （一）国内外研究现状

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