基于ANSYS对井架起升安全性的分析

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基于ANSYS 对井架起升安全性的分析
赵世雷，谢禹钧
(辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)
摘 要：本文以K 型井架为研究对象，应用ANSYS 有限元软件建模、计算分析，得出每个单元的Uc 值均小于1时，井架起升是安全的。

关键词：ANSYS ；井架；安全；分析
ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

有限元法是将结构离散化，把无限自由度的问题转化为有限自由度的问题，在建立数学方程获得有限自由度的解。

本文以K 型井架的石油钻机为研究对象，应用ANSYS 有限元软件建模，计算分析，得出井架起升是否安全的结论。

1 建模
K 型井架的结构是由左井架、右井架、背扇及背部拉杆、前开口处的二层台、扶梯组成。

左井架和右井架均为五段，段与段间用销钉连接；
每段的各杆件均为焊接结构。

背扇及背部拉杆与左井架、右井架为销钉连接。

在建立井架的有限元模型时，以左、右井架的焊接点为节点；因段与段间销钉连接限制了全部自由度，故不作为节点。

背扇各杆件以焊接点为节点。

背部各拉杆以两端的销节处为节点。

左井架、右井架、背扇各杆件在建模时简化为Beam188单元，背部拉杆在建模时简化为link8单元。

在起升建模时井架的二层台，扶梯的重量包括在井架自重中。

这样，共划分为216个单元。

起升有限元模型见图1.
图1 有限元模型 图2 起升时施加的荷载
2 井架起升计算过程 2.1 确定钢丝绳的拉力
井架起升是通过快绳钢丝绳、钻井钢丝绳、以及起升钢丝绳通过滑轮组构成的起升系统实现的，起升过程中，各钢丝绳拉力组成一平衡力系。

假设钻井钢丝绳拉力（钩载）为F ，快绳和起升绳的拉力可用F 表示。

计算时，在结构对应部位施加钢丝绳拉力，模拟井架在起升过程中的受力。

施加于结构上的起升时的荷载如图2所示。

2.2 计算结构应力
通过ANSYS 求出刚接杆件轴向应力fa ，纵向弯曲应力fbx 、横向弯曲应力fby 和铰接杆件的
2008年 第12期 2008年12月
化学工程与装备
Chemical Engineering & Equipment
4赵世雷：基于ANSYS 对井架起升安全性的分析 轴向应力fa 。

2.3 容许应力
容许拉应力，容许弯曲应力按AISC 规范相
关公式计算。

以一段工字钢为例，计算出：容许
拉应力Ft= 234.00 MPa 容许弯曲应力 Fa=224.50 MPa ；Fbx=301.60 MPa Fby= 301.60 MPa 2.4 压弯组合应力验算公式
''
1.0(1/)(1/)my by a mx bx
a a ex bx a ey by
C f f C f Uc F f F F f F F =++≤−−
（H1-1）
1.0
0.60by a bx y bx by
f f f
Uc F F F =
++≤
（H1-2）
公式中Fa 、Fbx 、Fby 轴向容许应力、纵向
弯曲及横向弯曲容许应力。

以一段工字钢为例，计算出 Fex'=33608.12MPa Fey'=3997.73MPa Cmx 、Cmy 按AISC 规范H1的规定，对于井架非铰接杆件，可取值0.85; 对于井架铰接杆件，可取值1。

3 井架起升计算结果分析 3.1通过ANSYS 求出刚接杆件轴向应力fa ，纵向弯曲应力fbx 、横向弯曲应力fby 结果，每段选出3个数值最大单元结果列表，见下表（表中单位MPa ）：
段号
单元
f a
f bx
f by
17 -82.80
-13.76 -32.20 19 -82.77 -11.21 -49.59 一
34 -82.49 -13.48 -32.20 69 -88.34
-7.56 -8.28 74 -85.12 -2.47 -8.02 二
87 -85.60 -28.63 -80.60 104 -135.78
-34.43 -108.1 122 -138.91 -14.62 -77.01 三
124 -129.91 -29.98 -50.30 135 22.04
59.27 4.68 139 10.22 3.74 0.24 四
152 9.87 4.46 5.13 176 -23.78
-1.06 -5.92 184 -67.82
-23.34
-14.97
五
189 -67.62 -1.93 -13.89
从表中可见井架第三段122单元，最大轴向压
应力138.91MPa ；井架第三段104单元，最大弯曲应力为108.1MPa 。

满足容许应力要求。

3.2 与上表对应的单元的Uc 值见下表（表中数值无单位）：
段数 单元
UC1 UC2 单元
UC1 UC2 单元 UC1 UC2 一 17 0.50 0.51 19 0.53 0.00 34 0.56 0.59 二 69 0.54 0.56 74 0.56 0.59 87 0.42 0.42 三
104 0.50 0.50 122 0.64 0.69 124
0.76 0.86
5赵世雷：基于ANSYS对井架起升安全性的分析
四135 0.54 0.56 139 0.29 0.00 152 0.44 0.43
五176 0.41 0.43 184 0.14 0.00 189 0.42 0.27
由表2可以看出，井架Uc值最大为0.86，出现在井架第三段124单元。

4 结论
通过ANSYS对井架起升计算出各单元的计算应力值均小于按照美国钢结钢手册容许应力计算公式求出各种截面的容许应力值，而且从表1中一段17，19，34单元的计算应力值比容许应力值小很多，这主要是满足井架其他工况应力需求，并不是材料的浪费。

用组合强度验算公式得出最大一个单元的Uc值是0.86，其值小于1。

评定安全性这两个安全条件都符合，因此井架起升是安全的。

本文评定过程可以应用到其他的井架起升安全性评定中。

参考文献
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Derrick Raising Safe Analysis Base on ANSYS
Zhao Shilei，Xie Yujun
(College of Mechanical Engineering ,Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning,113001)
Abstract：K type derrick is object and model is set up with ANSYS Finite Element Software in this article. By calculating and analyzing ,it is safe when Uc value of all units is less than 1.
Key words：ANSYS; derrick; safety；analysis
(上接第2页)
部分通道具有非最小相位特性，且CV1与CV2
及CV2与CV3之间存在耦合。

4 结论
在MATLAB下进行的闭环仿真研究中可以看出，各操作变量的调节过程满足幅值及变化率约束，被控变量能很好地跟踪设定值的变化，超调小，过渡时间短；稳态下，在假定塔顶温度有一微小阶跃扰动时，从塔顶温度的变化对干点和倾点的影响中我们将可以看出，扰动能够很快被抑制，各被控变量均可稳定在稳态值上。

综上，将多变量约束预估控制算法应用于分馏塔的产品质量控制取得了满意的效果。

该系统具有良好的鲁棒性，即使实际过程的特性与模型有一定程度的失配，仍能良好工作，这与其他按模型进行设计的系统相比有明显的优越性。

参考文献
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