CAE技术在井架设计中的应用.pdf

第 “ 卷第 “ 期应用力学学报 软件可实现三维实体设计， 捕捉设计意识， 快速得到产品几何模型。但是， 真正 能提高产品质量， 改善产品性能， 降低产品成本， 缩 短产品开发周期还要靠计算机辅助工程 （123） 技 术， 123 技术是 12; 技术向纵深方向发展的结果。 目前， 123 技术涉及工程和制造业信息化的所 有方面 ［“， ］， 主要包含以下几个模块 工程数值分析 模块， 运动学动力学仿真模块、 结构优化设计及强度 评价模块等。应用 123 技术对工程或产品进行性 能分析和模拟时， 一般经历以下步骤 （如图 “ 所示） 图 “ 123 一般步骤 “） 前处理 用图形软件先对工程或产品进行实体 建模， 进而建立有限元分析模型； ） 有限元分析 提供丰富的单元库、 材料库、 载荷 及边界条件处理算法， 具有有限元系统组装模块以 及静力、 动力、 振动、 线性与非线性等解法库。通过 对有限元模型进行单元分析， 进行有限元系统组装， 进而可以求解有限元方程， 给出计算结果； *） 后处理 根据工程或产品模型与设计要求， 对有 限元计算结果进行适当的加工、 检查， 并以图形方式 提供给用户， 辅助用户判定计算结果与设计方案的 合理性。 123 软件是迅速发展中的计算力学、 计算数 学、 相关的工程学、 工程管理学与现代计算技术相结 合， 而形成的一种综合性、 知识密集型信息产品。所 以它提供了强大的分析功能， 对模型进行有限元分 析即可得到任意点的应力、 应变情况， 从而为优化结 构布局提供可靠依据。2’ 软件目前已成为 123 和工程数值模拟的商品软件， 是目前 12;8 123812 的一个有效分析工具。 67*8“416 钻机为南阳石油机械厂最新研制 的自走式钻机。为合理设计钻机井架， 需对井架进 行静态分析和动态分析。静态分析主要研究钻机井 架在受外载荷作用后其变形、 应力、 应变的大小， 从 而判断井架静力强度是否满足设计要求； 动态分析 主要是进行井架的模态分析， 根据计算出的模态合 “来稿日期 .““./ 修回日期 *.5.5 第一作者简介 薛继军， 男， “/54 年生， 西安交通大学机械自动化研究所博士研究生， 西安石油大学机械工程学院讲师； 研究方向 机械 动态分析设计 理确定钻机工作转速， 使钻机在工作中避免发生共 振现象， 为钻机井架设计提供理论的依据。 本文运用 “ 有限元软件对该钻机井架进 行静态、 动态分析， 得出井架的变形和应力分布以及 井架在自然状态下和有钩载状态下的前 阶固有频 率和相应的主模态。 8;7 7 7 88 软件先对 井架结构在自然状态下 （即 无钩载作用）进行模态分 析， 可得到井架的前 . 阶固 有频率 （见表 ） 及相对应的 主模态。 表 所列为该钻机 各转动轴的转速及旋转频 率。 表 7“,A 钻机各转动轴的转速及旋转频率 传动比 转速与 转频 转盘传 动箱轴 转盘传动 箱输出轴 转盘 输入轴 转盘 转速 （CD西安石油大学,西安,710061， 郭谊民南阳石油 机械厂,南阳,473006， 何正嘉西安交通大学,西安,710049 刊名 应用力学学报 英文刊名CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS 年，卷期2004，211 引用次数9次 参考文献8条参考文献8条 1.崔俊芝 计算机辅助工程CAE的现在和未来 2000 2.王自秦 计算机辅助工程CAE技术及其应用[期刊论文]-贵州工业大学学报自然科学版 200104 3.陈精一.蔡国忠 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南 2001 4.王国强 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实现 1999 5.薛继军 钻机井架有限元模态分析[期刊论文]-石油矿场机械 200106 6.李亚明.胡云昌.项忠权 井架在风荷载作用下的可靠性分析 199701 7.赵国珍.龚伟安 钻井力学基础 1988 8.荣见华.郑健龙.徐飞鸿 结构动力修改及优化设计 2002 相似文献4条相似文献4条 1.学位论文 张波 应用CAE软件分析计算钻机井架静应力 2005 本文阐述了一种利用先进软件计算井架的新方法,其主要过程是在MDT3.0中将井架简化为接近实际结构的三维空间力学模型;确定井架所承受的载荷 和约束;通过施加载荷、施加约束、网格剖分、分析计算,对井架在起升工况、钻井工况、无立根无钩载工况、满立根无钩载工况下进行有限元静力分析 ;分析结果后处理,通过查看后处理图像或列表,对井架进行静强度校核. 2.学位论文 李宏茹 JJ225/43-K石油钻机井架强度及稳定性计算 2005 井架是石油钻机的重要组成部分,传统的计算井架的方法相当繁琐,并且计算时间长,计算误差大.为找到一种快速准确的井架计算方法,我厂引进了分 析计算软件紫瑞CAE软件.有限元分析主要过程是在MDT3.0中将井架简化为接近实际结构的三维空间桁架力学模型;确定井架所承受的载荷和约束;对 JJ225/43-K井架在起升工况、钻井工况、无立根、无钩载、风载工况和满立根、无钩载、风载工况下[2],进行有限元静力分析.本论文通过紫瑞CAE与 MDT3.0的无缝集成,实现对JJ225/43-K井架的有限元分析,从而利用分析结果实现对井架进行静强度及稳定性校核. 3.期刊论文 张波.吕圣仕.彭代清.刘梅.邓德太.陈蔚茜.白长庆 应用CAE软件分析计算钻机井架静应力 -石油矿场机 械2004,333 应用MDT3.0三维造型软件建立计算模型,应用紫瑞CAE分析计算软件对ZJ20J型钻机井架的各种工况进行了静强度分析计算.校核了该井架前大腿的最大 轴向压应力,其值小于许用应力值. 4.学位论文 岳吉祥 深水半潜式钻井平台钻机系统选型与布局优化研究 2009 本文结合国家高技术研究发展（863）计划海洋技术领域重大项目“深水半潜式钻井船设计与建造关键技术（课题编号2006AA09A104）”，在大量 运用和处理国外深水半潜式平台和海洋钻机各种数据基础上，运用复杂系统设计理论、数值分析和计算机仿真等技术，以提高深水钻井效率为主要目标 ，系统开展了平台钻机系统选型和布局优化设计等方面的研究。主要取得了如下研究成果 1.深水钻井作业工艺关键路径优化研究 提高钻井作业效率是第六代半潜式钻井平台最重要设计目标，应用双井架钻机是提高（超）深水钻井作业效率的有效技术。本文采用并行工程理论和 甘特图探讨双井架钻机并行作业和协作作业机理，突破钻井工艺顺序作业限制，将同一工序（过程）的部分辅助工作离线作业，优化了钻井作业关键路径 ；并进一步优化了配置双井架钻机钻井平台的单井和多井钻井作业工艺流程，显著缩短深水建井周期。在此基础上，初步建立了采用双井架钻机系统的钻 井平台所需基本设备配置。 2.钻机系统选型优化研究 钻机系统决定平台钻井作业的效率，选择、配置深水半潜平台钻机系统是设计第六代半潜式钻井平台的关键。本文采用复杂大系统优化分解-协调理 论，将深水钻机系统分解成钻机、材料输送系统、动力系统、控制系统和后勤服务系统等5个子系统，建立优化模型，重点对钻机和材料输送系统进行优 化选型研究。研究了钻机结构配置与离线作业能力及作业效率关系，离线钻机配置越完整全面，作业效率提升越大，双井架钻机最大化发挥了并行与协作 作业能力。双井架钻机相对离线钻机显著提高作业效率，但增加可变载荷和建造成本，受专利影响增加作业成本，采用投资回收模型和净现值模型综合分 析表明双井架钻机总体优于离线钻机。钻井材料的不同物化状态决定输送系统输送方式和配置，分别对钻井管具、专用设备和钻井液三类材料进行了输 送方式和装备配置优化。从占用甲板面积、重心、总体布局和作业效率等因素对隔水管存储形式比分析可知，存储模式对总体布局影响大，立放模式有利 于总体布局设计。分析影响隔水管作业的因素，提出了提高作业效率措施，尤其隔水管接头形式的选型应引起重视。 3.钻机系统布局优化研究 针对钻井系统布局兼有生产布局和复杂三维大系统布局特点，本文提出基于作业流程层次分解布局法，建立了布局理论、算法和布局流程。该方法以 作业流程为基础，按材料输送系统输送模式划分子空间，子空间内进一步模块化，以模块为布局基本单位，对不同空间采用相应优化算法，完成布局初步 方案。然后根据重心对平台布局进行调整，以提高稳性，最后进行安全规划，完成布局详细设计。该方案综合考虑作业效率、安全性、稳性和人因工程学 多方面因素，具有工程操作可行性和优化性，在具有性能约束大系统三维布局设计方面具有独创性。以在建某863项目平台钻井系统为实例，设计布局方 案，完成布局设计。采用三维软件对平台及钻井系统进行三维建模、装配仿真和作业流程动态仿真，进一步验证布局合理性。 4.钻台自动化装备优化布局和基于人因工程学钻井控制室设计研究 针对钻台自动化作业程度高的特点，基于三类不同管具作业流程和设备设施作业衔接关系，完成钻台自动化装备布局设计，有效协调各类管具的输送 、暂存、交换和处理等自动化作业活动。综合运用数值计算和CAE仿真方法对双钻井中心在平台定位进行优化，确定了主辅钻井中心定位布局优化方案。 本文运用人因工程学原理和标准对目标平台钻机控制室进行设计，实现信息通信协调机制，信息过载处理和作业群体之间相互协调。设计中具体设计 采用三级控制、显示方式，实现基于流程自动控制和手动控制有机结合的控制方式，改变控制室设计基于设备集成的理念，提高了作业功效。 引证文献10条引证文献10条 1.任杰.吕兰.王浚璞.艾志久.吴光武 HJ180海洋钻机井架动力特性及地震响应分析[期刊论文]-石油机械 20096 2.李子丰.韩东颖.周国强 复杂承载钢结构模态参数识别与综合性能评价[期刊论文]-应用力学学报 20084 3.周传喜.张延水.南丽华 海洋修井机井架有限元分析及结构优化[期刊论文]-石油机械 20089 4.苏一凡.徐宏伟.徐黔斌.吴文秀 基于ANSYS的海洋修井机井架强度分析[期刊论文]-石油天然气学报 20082 5.李兆勇.高学仕.杨冬平.翟东锋 含弯曲杆件的井架承载能力有限元分析[期刊论文]-石油矿场机械 20072 6.黄长征.谭建平 基于有限元法的水泥搅拌楼主楼模态分析[期刊论文]-现代机械 20065 7.梁会高.陈俊 基于StruCAD-3D的旅大4-2海洋修井机井架设计计算[期刊论文]-石油矿场机械 20065 8.王路林.高学仕.王佐祥 井架起升过程的有限元仿真分析[期刊论文]-石油矿场机械 20062 9.任建峰 电子设备结构动力响应研究中的关键技术[学位论文]硕士 2006 10.战红 旋挖钻机立柱的有限元分析及可靠性探讨[学位论文]硕士 2005 本文链接 下载时间2010年6月1日