張艷艷 河南交通職業(yè)技術學院

利用時間歷程法分析鉆機井架的瞬態(tài)響應

張艷艷 河南交通職業(yè)技術學院

依據(jù)JJ300/43—A型井架的實際工況，通過建立井架有限元模型，運用時間歷程分析方法，依托大型有限元分析軟件對其進行動態(tài)響應計算，求解頂部節(jié)點不同方向的動力響應。如果沖擊載荷是瞬時的，短時時間間隔內(nèi)位移存在一定程度波動，幅度會隨著時間間隔的變化而變化；如果沖擊載荷劇烈，其響應最強烈處會出現(xiàn)在頂部，方向為Z向，最高值甚至會達到24.5 cm。在建立井架有限元模型時，因井架兩腿與二層臺和中部橫梁的連接作用較弱，建模時可將二層臺忽略，并對井架模型做必要簡化。通過ANSYS，采用完全法進行求解得到其瞬態(tài)沖擊載荷后的結構動力學響應。

時間歷程；ANSYS；瞬態(tài)響應；載荷

石油鉆機井架是鉆采中的重要設備，對井架結構進行力學分析可發(fā)現(xiàn)，其承受的的載荷有靜載荷和動載荷。靜載荷主要是其自身恒載，動載荷則包含了風載荷、提放鉆具形成的大鉤載荷、因鉆機振動而形成的振動載荷，此類動載荷均會因時間而變化。現(xiàn)有理論對載荷的研究多著重于靜力，使得時間載荷如工作時的持續(xù)性載荷與個別情況下的縱向沖擊會被忽略，造成了傳統(tǒng)分析方法存在不全面和不準確的特點。要想更加科學地設計井架以及對安全進行更準確的評定，就需要將實際載荷作為井架的動力特性研究對象，將實際載荷作為動載荷。

依據(jù)JJ300/43—A型井架的實際工況，通過建立井架有限元模型，運用時間歷程分析方法[1-2]，依托大型有限元分析軟件對其進行動態(tài)響應計算，求解了頂部節(jié)點不同方向的動力響應，對井架的設計、維護和安全評估有一定的參考價值，對油田鉆井生產(chǎn)具有實際意義。

1 瞬態(tài)響應分析基本原理

利用瞬態(tài)響應的基本原理可確定對各種載荷狀態(tài)下井架的應變、位移以及應力等變化規(guī)律，載荷狀態(tài)包括靜載荷、簡瀉載荷和瞬態(tài)載荷，或者是它們之間的任意組合。該研究過程實際上是對微分方程的求解過程。

振動疊加法中的變換矩陣為振型矩陣，其主要方法是將振動方程組從繁到簡進行變化，使相互耦合的多自由度的方程組變成等數(shù)量單個獨立自由度的方程，然后對單個方程進行求解，獲得的解即為結構的各階模態(tài)；通過對該值的疊加求和來獲得瞬態(tài)響應，整個過程就是對振型的疊加組合。逐步積分法則是用在離散時間點滿足動力學方程的時刻t替代任意時刻滿足運動方程的位移矢量，而某一時間區(qū)域，對位移、速度和加速度的關系采用某種假設，根據(jù)初始條件，依次對各點響應值進行求解。本文所采用的計算方法為振型疊加法，首先通過求解來獲得某典型脈沖輸入的響應，再通過疊加原理，對函數(shù)F(t)的響應進行求值。

設在初始時刻，一單位沖量作用于系統(tǒng)，系統(tǒng)運動學方程為

將系統(tǒng)在激勵作用前設定為零初始條件，即

解得

式中ωd為有阻尼時系統(tǒng)的振動頻率。

式（4）是系統(tǒng)為零初始條件時受到單位脈沖的情況下得到的響應。一般情況下，對于時刻t=τ的單位脈沖，就會出現(xiàn)一個相位滯后的響應：

在線性系統(tǒng)疊加原理下，該系統(tǒng)任意激勵F(t)下的瞬時總響應為各脈沖序列響應的疊加，即

2 井架模型

2.1 計算條件

JJ300/43—A型井架的空間結構為“A”字型，由大腿、二層平臺以及附加桿件組成。大腿結構為兩個等截面的空間桿件，左右兩個整體又各分為4段格構式構架以及起到連接作用的連接架，大腿主弦桿選用無縫鋼管?168 mm×8 mm，橫桿和斜桿選用無縫鋼管?95 mm×3.5 mm，在上部連接一根橫梁。該井架的總高度和有效高度分別為46.398 m和37.398 m，選用彈性模量為2.1×1011N/m2、泊松比為0.3的16 Mn焊接結構鋼，最大鉤載為3 000 kN，井架自重為392 kN，天車重量58.320 kN，游車重量67.120 kN，水龍頭重量26.487 kN，大鉤重量33.452 kN。

分析鉆井施工過程可發(fā)現(xiàn)，大鉤垂直載荷為其主要載荷，井架也會振動且動力幅度是隨機變化的[3]。在本次討論中，設定兩次沖擊載荷的作用點均位于井架頂端，其他沖擊為零。

2.2 計算模型

在建立井架有限元模型時，因井架兩腿與二層臺和中部橫梁的連接作用較弱，建模時可將二層臺忽略，并對井架模型做必要簡化。根據(jù)連接形式對其進行有限元離散，斜桿、主弦桿以及橫桿的空間梁單元可以采取兩種空間截面beam188進行模擬有限元模型。整個井架模型的節(jié)點數(shù)為1 736，單元數(shù)為2072，頂端節(jié)點號分別為90、33、946和1249。

3 瞬態(tài)響應的有限元計算

通過ANSYS，采用完全法進行求解來得到其瞬態(tài)沖擊載荷后的結構動力學響應。從頂端四個節(jié)點受到?jīng)_擊載荷后X向、Y向、Z向的頂端90節(jié)點振動位移時程圖以及時間--位移響應曲線圖可以看出，井架在沖擊載荷作用下，其主振動為前后振動，在位移幅度上，主振動大于上下振動。這主要是因為該井架的A型結構在前后方向上不對稱，上下振動值較左右振動更小；整個井架在繞X、Y軸上存在微小程度的扭轉；施工中，位移響應最大的地方為頂部節(jié)點處的Z方向；靜態(tài)位移響應量小于動態(tài)位移響應量[4]。相對于靜態(tài)位移最大值，各向最大位移響應值如下：X向約為其2.1倍，Y向約為其2.2倍，Z向約為其1.3倍，鉆井施工中，井架的位移為動態(tài)。鑒于此，為了更接近實際情況，設計結構和評價井架承載能力就需要綜合考慮動、靜力問題。

從以上情況分析，各個方向的扭轉振動在整個瞬態(tài)振動過程中會出現(xiàn)很快的衰減，衰減最快的為Z向振動位移。具體各值的大小如表1所示。

表1 井架90節(jié)點瞬態(tài)振動位移響應

4 結論

如果沖擊載荷是瞬時的，短時時間間隔內(nèi)位移存在一定程度波動，幅度會隨著時間間隔的變化而變化；各個方向都出現(xiàn)了最大的位移，這說明了響應的發(fā)生存在同時性，但在達到臨界載荷的時間上，每個方向又是不相同的。該井架在沖擊下Z方向會出現(xiàn)很大的變性，且人字架剛度不夠，對此設計進行優(yōu)化。要想保證生產(chǎn)的安全和設備使用期限就需要提高人字架的剛度，在材料使用上多選用安全系數(shù)高的材料。如果沖擊載荷劇烈，其響應最強烈處會出現(xiàn)在頂部，方向為Z向，最高值甚至會達到24.5 cm。為解決此類問題就需加大Z向抗彎剛度，在施工中盡量減少沖擊載荷，盡量避免人為因素造成的沖擊，保證司鉆操作的平穩(wěn)。

[1]施麗娟，李東升，潘斌，等．自升式鉆井平臺結構自振特性分析[J]．中國海上油氣（工程），2001，13（5）：6-8.

[2]郭鳳，鄒龍慶，付海龍，等．ZJ15D型石油鉆機井架的瞬態(tài)響應研究[M]．地震工程與工程振動，2006（4）：147-151.

[3]師漢民，諶剛，吳雅．機械振動系統(tǒng)（上）[M]．武漢：華中理工大學出版社，1992.

[4]李良，李增亮，顏廷俊.基于ANSYS 5.4的A形井架結構綜合分析[J]．石油機械，2002，30（4）：22.

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.5.003