TC-225天车架结构强度的有限元分析

TC-225天车架结构强度的有限元分析
易先中;曹良波;张国丽;杨立文;刘显用;胡德祥
【摘要】UC值是美国ANSI/AISC<钢结构设计手册>针对钢结构物体承受压缩弯曲等多种组合载荷联合作用时所采用的综合机械强度性能的量度指标.运用ANSYS 结构分析软件,结合ANSI/AISC中UC值方法和安全系数法,对TC-225天车架进行了详细的结构受力分析和强度计算.计算结果表明,TC-225天车架的最大弯曲变形、最大应力以及最大UC值均发生在天车支撑梁的中部,且最大UC值等于0.38396.
这说明,TC-225天车架的设计符合ANSI/AISC的要求,具有足够的刚度、强度以及可靠性.另外,与安全系数法相比较,UC值方法具有更简单方便和安全合理的优点.【期刊名称】《长江大学学报（自然版）理工卷》
【年(卷),期】2010(007)003
【总页数】4页(P106-109)
【关键词】强度分析;天车架;UC值;有限元分析
【作者】易先中;曹良波;张国丽;杨立文;刘显用;胡德祥
【作者单位】长江大学机械工程学院,湖北,荆州,434023;长江大学机械工程学院,湖北,荆州,434023;长城钻探工程有限公司工程技术研究院,辽宁,盘锦,124010;长城钻探工程有限公司工程技术研究院,辽宁,盘锦,124010;河南兴华机械制造有限公司,河南,济源159009;辽河石油装备制造总公司,辽宁,盘锦,124010
【正文语种】中文
【中图分类】TE923.03
TC-225天车是与JJ225/42-KC井架配套使用的石油钻机的重要提升设备之一。

天车、游车、钢丝绳和大钩，通常统称为游动系统。

游车、天车和钢丝绳是3个用来连接支撑井架并承载、下放或提升钻柱的主要部件。

钢丝绳缠绕在井架上部天车的滑轮上。

天车与游动滑车之间，是用钢丝绳联系起来的复式滑轮系统。

该滑轮系统可以大大降低快绳拉力，减轻钻机绞车在钻井各个作业(起下钻、下套管、钻进、悬持钻具)中的负荷和起升机组发动机应配备的功率。

天车是安装在井架顶部的定滑轮组。

它主要由天车架、滑轮、滑轮轴、轴承、轴承组和辅助滑轮等零件组成。

天车架是由钢梁焊接的矩形框架(如图1所示)，用以安装天车滑轮组和快绳滑轮并与井架顶部相连接，确保其游动系统可靠工作。

因此，对天车架进行结构受力分析和强度计算十分重要。

安全系数法是国内石油机械结构强度分析计算的基本方法[1～3]，是一种简单有效的判定结构安全性的准则。

该准则中关于结构许用安全系数值的选择，是全面考虑载荷特征、材料特性、制造环境因素以及该类结构在工程实践的重要性等后，根据统计实验数据进行确定。

若物体的安全系数大于给定的许用安全系数值，则该物体判定为安全可靠。

美国国家标准学会《钢结构设计手册》中，充分考虑到实际钢结构物体常常承受拉压弯扭剪等多种形式载荷的联合作用，其构件的内应力是一个综合折算后的当量最大应力。

为此，ANSI/AISC 360-05提出了Maximum Component Unity Check的概念(即UC值)[4]，并用之来评价构件单元的综合强度性能。

对于UC值小于1.0的构件，ANSI/AISC认为构件综合强度满足要求，视为合格的单元；对于UC值大于1.0的构件，则认为综合强度不够。

设计者应对初始设计进行调整和修改，直到使得构件的UC值小于1.0，满足综合强度要求[4]。

ANSYS是现行大型结构有限元分析的国际主流软件平台，随着我国石油机械设计制造水平的迅速提高，并逐步与国际结轨，采用国际通用的安全设计准则对产品进
行分析十分重要[5,6]。

因此，笔者以ANSYS为结构分析软件，采用ANSI/AISC 360-05中结构强度指标(UC值)，对TC-225天车架进行结构受力分析和强度计算。

1)型号及参数天车型号为TC-225；最大静钩载为2250kN；滑轮数为6；滑轮外径为1120mm(5个)；导向滑轮外径为1270mm(1个)：钢丝绳直径为32mm；
最大快绳拉力为80kN；外形尺寸为3483mm×3022mm×4150mm；理论重量
为5967kg。

2)相关参数名义钻井深度 (4in钻杆)为2500～4000m、(5in钻杆为3200m；最
大钩载(5×6轮系无风载无立根为2250kN；绞车额定功率为735kW(1000Hp)；
游动系统结构为5×6；绞车档数为5正1倒；刹车鼓尺寸：∅1168×265mm；
滚筒尺寸：∅660×1208mm；辅助刹车为DSF40电磁刹车。

井架有效高度为43m；井架工作高度为42m；井架设计钻井深度(5in钻杆)为4000m；配套钻机型号为ZJ40RL/2250；配套井架型号为JJ225/42-KC；配套底座型号为DZ225/6-KX。

3)材料规格及材料特性天车架由主梁(1左1右)、天车轴支撑梁(2根)、快绳滑轮
支撑梁(2根)、前后辅助梁及部分加强筋板焊接而成。

主梁为焊接工字钢，16Mn，规格为630×300×18×26mm，定义号为ID1；天车轴支撑梁为焊接工字钢，16Mn，规格为630×240×18×26mm，定义号为ID2；前辅助梁为焊接工字钢，16Mn，规格为630×200×18×26mm，定义号为ID3；快绳滑轮支撑梁为焊接工字钢，16Mn，规格为480×140×10×14mm，定义号为ID5；后辅助梁为45a工字钢，Q235A，定义号为ID4。

天车所采用的材料主要
为Q235A型钢和16Mn型钢2种，其机械物理性能见表1。

天车架的结构形式为典型的钢架模型。

大钩载荷是通过滑轮、天车轴、轴承座、垫板传给天车轴支撑梁，其作用方向为垂直向下。

快绳拉力是通过一个滑轮及其2
个支撑梁后均匀地施加在前辅助梁上的。

快绳拉力的方向相对于井架虽有一定的倾
斜，但该角度较小，也可简化为垂直向下。

这样，可将天车架简化为一个平面钢架结构[4,5]。

由于天车架的前联接梁的非对称性，因此，在用有限元工程分析软件建模时，可采用能体现结构非对称的空间梁单元BEAM44。

在各梁的长度方向，为了保证分析的高精度，每0.1m划分为一个单元，整个结构共有128个结点，132个单元(见图2)。

天车架是一个正方形的钢架。

输入各关键点的坐标值并连线，即可确定其几何结构[5,6]。

空间梁单元BEAM44，通过Section定义各个单元的截面形状和尺寸。

3.1 位移约束和载荷的定义
1) 天车架的4个角点为固定节点，限制其3个方向的所有自由度。

2) 天车架的最大静载2250kN是均布地作用在2个支撑梁上，主要是在81，88-92和99，106-110等节点部位。

3) 快绳拉力2×280kN是作用在2根快绳滑轮支撑梁，即作用于120-123和128-131等节点部位。

然后，通过快绳梁施加在前辅助梁和相邻的天车轴支撑梁上。

天车架加载及约束模型见图2。

3.2 基于安全系数方法的强度分析
1)由天车架受载的结构变形图(见图3)知，天车架的最大变形量出现在天车轴支撑梁的中部91号单元，即在91和92号节点之间，其值为1.5656mm。

参照桥式起重机等重型钢结构机械的变形刚度设计指标[7]，起重机在最大工作载荷下的最大变形量δmax≤0.002Lmax(Lmax为起重机大梁的跨度)。

对于天车支撑梁Lmax=3022mm，允许的最大相对变形量δmax≤ 6.044mm。

天车架中出现最大变形量91号单元的值为1.5656mm，小于允许的δmax，其安全系数为3.86，说明天车梁具有足够的刚度。

2) 图4为天车架的应力分布图。

天车架的最大应力出现在天车轴支撑梁的中部91
号单元(与发生最大弯曲变形是同一个地方)，即在91和92号节点之间，其值为
σmax=98.775MPa。

该支撑梁的材料是16Mn, 屈服强度极限为σs=343MPa。

即天车梁的安全系数n=σs /σmax=3.47。

这说明天车支撑架在满负荷极限工作状态下的受力，相对于天车支撑梁材料的承载能力是一个较小的量，是支撑梁屈服强度极限的28.8%，天车架具有足够的强度[7]。

3.3 基于UC值的强度分析
天车架主要承受的是弯曲载荷，其轴向力的分量较小。

在承载能力和稳定性分析中，UC值由如下公式计算[4～6]:
++≤1.0
++≤1.0
++≤1.0
当fa/Fa≤0.15时，可用式(3)代替式(1)和式(2)。

式中，Fa为只有轴向力存在时允许的轴向压应力，MPa；Fb为只有弯矩存在时允许的轴向压应力，MPa；fa为计算点的轴向压应力，MPa；fb为计算点的弯曲应力，MPa；Cm为折算系数，对
于节点有(侧向)位移的框架中的受力构件，取0.85；为除以安全系数的欧拉应力，MPa；且有为弯曲平面内无支撑的实际计算长度，m；k为有效长度系数；rb为
回转半径，m。

x和y表示某一应力或设计参数所对应的弯曲轴。

在天车架的强度和安全性校核中，采用式(3)计算UC值。

表2为天车架单元前14个UC值的降序排列。

显然，天车架的最大UC值在天车轴支撑梁的中部91号单元(与出现最大弯曲变形、最大弯曲应力是同一个地方)，即在91和92号节点之间，其值为0.38396(其余各单元的UC值均小于此值)。

该值远远小于1.0，这说
明天车架具有足够的安全性[8]。

1) UC值是美国ANSI/AISC《钢结构设计手册》中，针对钢结构物体承受压缩弯
曲等多种组合载荷联合作用时所提出的一个综合机械强度性能的量度指标。

它包含了对结构的强度和刚度等方面因素的综合考虑。

以ANSYS结构有限元分析软件为平台，运用UC值方法，对TC-225天车架进行了详细的结构受力分析和强度计算。

分析数据表明，TC-225天车架的最大弯曲变形、最大应力以及最大UC值均发生在天车支撑梁的中部，且最大UC值等于
0.38396，远远小于1.0。

这说明，TC-225天车架的设计符合ANSI/AISC的要求，具有足够的刚度、强度以及可靠性。

2)安全系数法是从单因素出发对安全性能指标分别进行考虑。

于是在结构的机械性能评价中，则需要对结构的强度和刚度等分别进行校核。

笔者采用安全系数法对天车架的强度和刚度分别进行了校核(刚度安全系数为3.86，强度安全系数为3.47) ，符合强度要求。

3)以天车架为例，若对表2最大的UC值取倒数计算，可发现
1/UC=1/0.38396=2.60，该值可近似地说明天车架的综合安全系数为2.60左右。

这样，与天车架刚度安全系数3.86和强度安全系数3.47相比，可说明2点：
①ANSI/AISC的当量安全系数(1/UC)是一个综合机械性能的折算指标，它是一个
定量的数值，使用方便简单，具有一定的科学性的先进性。

②当量安全系数(1/UC)比传统的单项安全系数值要小。

因而，采用ANSI/AISC中的UC值方法对结构物
进行强度分析和校核，比传统的安全系数方法更安全和可靠。

【相关文献】
[1]SY/T5609-1999，石油钻机型式与基本参数[S].
[2] SY/T502-1999，钻机和修井机井架、底座规范[S].
[3] SY/T5112-1999，钻井和采油提升设备规范[S].
[4] ANSI/AISC 360-05，Allowable Stress Design, Ninth Edition[S].
[5] 张学军，张树，陈孝珍. JJ22547 型井架有限元静动力特性分析[J]. 石油矿场机械， 2008，
37(9)：49～51.
[6] 李宏茹. JJ225/43-K石油钻机井架强度及稳定性计算[D]. 兰州:兰州理工大学，2005.
[7] 刘鸿文. 材料力学Ⅰ [M]. 第4版.北京: 高等教育出版社. 2003.19～33, 203.
[8] SY/T6326-1997，石油钻机用井架承载能力检测评定方法[S].。