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轮式作业机井架动态特性研究

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2XXX 年X 月X 日

轮式作业机井架动态特性研究

摘 要

本文用ANSYS 软件的有限元分析功能，对轮式作业机井架结构简化的三维空间梁结构进行模态分析、瞬时动态分析和谐波响应分析。系统的结构模态是振动系统特征的一种表征，轮式作业机井架的模态分析所得出的固有频率、振型是井架承受动态荷载的重要特征。根据固有频率和振型可以预测井架在各种振源作用下的实际振动响应和在瞬时动力作用下产生的薄弱环节。文章通过分析井架在自重情况下的前6阶自由振动频率和振型、井架在钩载为1100 kN 作用下产生位移-时间图及转盘激扰时的振动位移，可以得出以下结论：井架以整体弯曲为主，四根立柱为主要承载构件，且前两根的立柱的承载能力最为薄弱。建议通过改变截面大小和材料来提高结构的稳定性和

关键词：轮式作业机；井架结构；承载构件

目录

第一章引言 (1)

1.1问题的提出 (1)

1.2研究概况 (1)

第二章动态分析 (2)

2.1动态分析的基本概念 (2)

2.2动态分析的基本理论 (2)

第三章总结 (3)

参考文献 (4)

第一章引言Array

1.1问题的提出

在石油与天然气勘探开发的各项施工中，修井作业是一个重要环节。油气水井在自喷、抽油或注水注气过程中，随时可能发生故障，造成油井减产甚至停产。诸如：油井下沙堵、井筒内严重结蜡结盐、油层堵塞、渗透降低、油气水层互相串通、生产油层枯竭等油井本身的故障；油管连接脱扣、套管挤扁、断裂和渗漏等油井结构损坏；抽油杆弯曲、断裂或脱扣、抽油泵工作不正常等井下采油设备故障等。出现故障后，只有通过井下作业来排除故障，更换井下设备，调整油井参数，恢复油井的正常生产。

目前我国陆上石油修井作业所用的设备主要有履带式通井机、轮式作业机、修井机等，其中轮式作业机具有越野性好、搬迁运移便捷、作业效率高、经济实用等优点，是通井机发展的主要方向。

轮式作业机井架是油井进行修井作业时起下井的支架，它在修井作业中，特别是刚开始起钻和下钻时的突然刹车均会产生较大的冲击，使井架承受较大的额外动载荷并产生剧烈振动。并且，由于转盘的周期性激励，井架也会产生不同形式和不同程度的共振。从而导致井架结构的破坏，无法顺利进行修井作业[1]。

1.2 研究概况

井架结构动态承载能力测评技术是一项挖掘结构设备潜力、节约生产成本并确保生产安全,经济效益、社会效益十分明显的工程实用技术,它也是一门多学科综合交叉的工程科学,有不少理论问题和技术难点值得研究,在石油生产部门中具有良好的发展前景，因而合理的预报出井架的实际承载能力，以成为石油井架安全评定理论研究的主要内容[3]。主要方法有：实验室井架模型动态研究测试、实测频率为基础的动态判断

及目前应用最多的计算机仿真模型计算。

第二章动态分析

2.1 动态分析的基本概念

动态分析用来确定惯性（质量效应）和阻尼器重要作用时结构或构件的动力学特性。动态分析通常指下列几种物理现象：振动、冲击、交变作用力、地震载荷、随机振动等。按照运动方程的求解形式的不同，在ANSYS中动态分析主要有3中形式：模态分析、瞬时动态分析、谐波响应分析[7]。

模态分析可以确定一个结构或机构的固有频率和振型。模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动特性包括：固有频率、振型、振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）等。模态分析假定结构是线性的。任何非线性特性（如塑性单元）即使定义了也将被忽略。模态提取是用来描述特征值和特征向量计算的术语，在ANSYS中模态提取的方法有6种：Subspace（子空间）法、Block Lanczos法、PowerDynamics法、Reduced（缩减）法、Unsymmetric（不对称）法和Damped（阻尼）法。使用何种模态提取方法取决于模块的大小和具体的应用场合。

瞬时动态分析是确定随时间变化荷载（例如爆炸）作用下结构响应的技术。瞬时动态分析可以应用在：承受冲击荷载的结构、承受随时间变化载荷的结构、承受撞击和颠簸的家庭和办公设备。ANSYS 允许的瞬时动态分析包括各种类型的非线性，如大变形、接触、塑性等。求解瞬时动态方程的结主要有两种方法：模态叠加法和直接积分法。

2.2 动态分析的基本理论

有限元法是一种解决工程问题的数值计算方法，随着近几十年来电子计算机的飞速发展得到广泛的应用，它的应用范围已从杆、梁类结构扩展到弹性力学平面问题、空间问题、板壳问题；由静力平衡问题扩展到动力问题、波动问题和稳定问题。分析的对象从弹性材料扩展到粘弹性、塑性、粘塑性及复合材料等；从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁场、建筑声学与噪音、地质力学及连续介质力学等

各领域。在工程实际中的作用从分析与校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计、计算机辅助生产等技术相结合。出现了许多大型商业有限元通用软件，并且功能日趋强大且使用方便，使有限元法的应用更加简单和普及。

第N章总结

（1）用ANSYS软件对复杂的空间井架结构进行有限元建模、模态分析、瞬时动态分析及计算机数值模拟是可行的，而且更加的简便、快速、精确。

（2）轮式作业机井架的模态分析结果表明：低阶振型反应了井架的整体振动形式，在外界转盘激扰频率为1.7Hz与3.61Hz的情况下，应尽量的避免井架低阶的振动，否则井架将会整体失稳。

参考文献

[1]尹永静，杨汉立编著．石油修井机．石油工业出版社，2003年

10月．

[2]郭登明，艾薇，杨玫等．轮式通井机的现状与发展趋势．钻采工

艺，2003；26（1）：53～56．

[3]徐忠明．轻型修井机的现状与开发展望．石油机械．

[4] 周国强，等.实验室井架模型的动态测试研究.石油钻采工艺，

2006年10月，第28卷第5期：10-12页.

[5] 赵庆梅，等.井架结构安全承载力动态参数评定方法.石油矿场机

械，2005年，第34卷第6期：36-38页.

[6]张令弥，等.计算机仿真与模型确认及在结构环境与强度中的应

用.强度与环境，2002年6月，第29卷第2期：42-47页.

[7]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程，清华大学出版社，2005.1.

[8]张波等.用CAE软件分析计算钻机井架静应力.石油矿场机械，

2004，第33卷第3期：39-41页.

[9]Y.-S. Hsu. Electrothermal dynamic in Si-doped Sb70Te30 recording

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random access memory. Scripta Materialia 58 （2008）627–630.

[10]WuCai.Dynamic stress analysis of rail joint with height difference

defect using finite element method. Engineering Failure Analysis 14 （2007）1488–1499.