XJ-650型修井机井架静强度有限元分析

XJ-650型修井机井架静强度有限元分析
摘要本文利用Ansys对XJ-650型修井机井架进行建模，分析了梁单元的特性。

建模时采用了比Beam 4梁单元更加直观的Beam 189梁单元。

分析了井架在最大设计钩载时位移的变化和应力分布情况。

结果显示，最大应力为169.2MPa，位置在井架变截面处，该应力仍小于井架的许用应力206.5MPa。

说明该井架结构强度满足作业要求。

关键词修井机井架；有限元分析；静力分析
The Finite Element Analysis of
Static Strength of XJ-650 Type Workover Rig
Hong-shan Yang，Ming-jie Wang
Asset Integrity Management Technology Service Centre CNOOC Energy Technology&Services-Human Resources Co.,ShenzhenBranch，Shenzhen，Guangdong，518067，China
Abstract This paper makes an analysis of static strength of XJ-650 type workover rig by using the general finite element soft. During modeling, the characteristic of beam elements are described, and BEAM189 is an element suitable for analyzing slender to moderately stubby/thick beam structures. This element is based on Timoshenko beam theory. Shear deformation effects are included. Under the maximum design hook load, the condition of displacement and stress are analyzed. The maximum stress is 169.2MPa, which still less than the allowable stress (206.5 MPa).
Keywords workover rig；finite element analysis；static strength analysis
XJ-650型修井机在各大油田广泛使用，其井架结构比较复杂，是修井机各组成部分中最关键部分之一。

对它的力学性能和结构，对井架的使用和维护有着重要作用。

随着计算机技术的飞速发展，有限元技术也得到更大的应用。

Ansys 大型通用软件，因其强大的功能而在结构分析中越来越多地得到应用[1-4]。

本文利用Ansys有限元分析软件对井架进行了建模，分析该井架的位移和应力情况，为井架检测和设计提供了一定的依据分析。

1 模型建立
1.1 模型简化
由于井架的结构比较复杂，模型的建立要求对井架进行合理的简化[5]。

利用有限元单元法[1]，对井架进行如下简化：
1）井架的节点为焊接的刚性接点，井架各杆件承受轴向力和弯矩，将井架简化为空间钢架结构；
2）将二层台、天车、工作梯等附件忽略掉，因为它们对井架的刚度影响很小；
3）简化后Y型支座和井架的连接点可视为刚性连接。

1.2 梁单元特性分析
梁单元是用于生成三维结构的一维理想化数学模型。

三维梁单元是具有拉伸、压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元，在每个节点上都具有6个自由度，即沿着x，y，z轴的移动和绕x，y，z轴的转动。

在杆件上建立局部坐标系（如图1），x轴沿单元纵轴，y轴和z轴分别为横截面的两个主惯性轴。

1.3 单元划分
在单元划分中，井架单元的划分按照其自然情况，以井架结构的构造接点为有限元模型的节点。

将井架模型划分为个138节点，410个单元。

井架各杆件以Beam189三维弹性梁单元划分，该梁单元是Ansys5.5版开始出现的一种新型梁单元，它基于铁摩辛柯梁理论，适合于细长梁或者深度梁的计算分析，并考虑了剪切变形的影响，其使用和后处理比起Beam 4梁单元更加直观方便，具有广泛的使用性。

井架绷绳划分为Link10三维杆单元。

总共有6种截面。

井架结构中采用的16Mn钢，其材料特性见表1；绷绳的弹性模量为1.6×105MPa，泊松系数为0.3，密度为7.8×10-6kg/mm3。

1.4 约束和载荷
井架底部与背拉杆连接处两铰点约束，井架铰座两铰点约束，绷绳铰点约束。

各约束点限制自由度情况见表2。

井架的最大设计钩载为1470kN，因此，在进行仿真计算时，将该井架最大钩载平均分配到井架顶部的四个节点上，分别沿负Z方向施加367.5kN的集中力。

2 结果分析
有限元法是把整个结构离散为有限个数的单元体求解外加载荷引起的位移、
应力和应变的变化。

分析最大钩载1470kN情况下，得出井架的位移和应力变化图，见图2和图3。

由图2可以看出，井架在静载荷作用下稍向前倾斜，在x向和z向上的位移和应变较大，顶部4个节点（93、94、95和96，见图3）位移最大，数值为：
93: dx = 66.5 mm, dy = -0.4 mm, dz = -16.2 mm, ds=68.4mm
94: dx = 66.2 mm, dy = -0.4 mm, dz = -19.4 mm, ds=68.9mm
95: dx = 66.2 mm, dy = -0.2 mm, dz = -18.7 mm, ds=68.8mm
96: dx = 66.3 mm, dy = -0.6 mm, dz = -18.1 mm, ds=68.7mm
井架的四根主杆为主要承载构件，其应力值较大，横、斜拉杆的应力远小于四根主杆。

通过分析，最大应力位置在井架上部变截面出，其值为169.2MPa（见图3），小于许用应力206.5 MPa。

分别施加200kN、400 kN、600 kN、800 kN、1000 kN、1200 kN、1400 kN 和1600 kN的载荷，选取井架最大位移点和最大应力点，计算出在不同载荷下，井架位移和应力的变化情况（见图4和5）。

从图4和5可以看出，随着载荷的增加，位移和应力都以线形关系增加。

3 结论
1）在最大设计钩载1470kN作用下，井架位移变化由下到上逐渐增加，最大位移在井架的顶部，其中最大点（94）位移为：
94: dx = 66.2 mm, dy = -0.4 mm, dz = -19.4 mm, ds=68.9mm。

2）在最大设计钩载1470kN作用下，井架前主杆受压，后主杆受拉，前主杆应力大于后主杆的应力；的最大应力出现在变截面处，大小为169.2MPa，仍小于许用应力206.5 MPa。

3）在施加不同载荷时，井架最大位移与最大应力都和载荷成良好的线性关系递增，说明井架的受力在弹性范围内。

参考文献
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