CAE技術在井架設計中的應用

張明亮

摘要：對CAE技術在井架設計中的應用進行深入分析，探究ZJ30/1700CZ鉆機井架在有鉤載情況、自然狀態(tài)下的模態(tài)和靜態(tài)，為井架的合理設計提供參考。

關鍵詞：CAE技術；井架；荷載；模態(tài)分析

中圖分類號：TE923 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0030－02

CAE，英文全稱為Computer Aided Engineering，即計算機輔助工程。CAE技術，實質(zhì)上就是利用計算機對產(chǎn)品、工程的性能和功能進行計算和優(yōu)化設計，模擬仿真未來產(chǎn)品和工程的運行狀況和工作狀況，盡早發(fā)現(xiàn)設計方面存在的不足，并對設計方案進行優(yōu)化和完善的一種技術。

目前來看，CAD軟件具備強大的三維實體設計功能和較強的捕捉設計意識，使用CAD軟件能夠迅速得到產(chǎn)品的幾何模型。但是，要從根本上改善產(chǎn)品性能、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品成本，還是需要采用計算機輔助工程技術，即CAE技術。從CAE技術的發(fā)展過程來看，CAE技術是CAD技術的延伸。

1有限分析模型

井架的結構比較復雜，通常情況下，并不會完全按照鉆機井架的實際結構對其進行計算分析。所以，要對鉆機井架的結構進行簡化，建立一個與井架實際結構相類似的力學模型，并將此作為基礎，對這一鉆機井架做動態(tài)分析和靜態(tài)分析。

在簡化鉆機井架時，要從以下幾方面入手：①鉆機井架中的所有節(jié)點都屬于焊接過程中的剛性節(jié)點，井架上的各個桿件不僅要承受軸向力，還要承受附加的彎矩作用。所以，在簡化井架實際結構時，可以將其轉變?yōu)榭臻g鋼架結構，并將單元改為管單元或者三維梁單元。②在建造模型的過程中，可以將二層臺吊繩總成、井架扶梯、天車和二層臺等一系列井架附件去掉，因為這些附件對于整個井架的剛度并不會產(chǎn)生較大影響。但是，天車、二層臺的質(zhì)量比較大，在建模過程中要考慮到天車、二層臺的質(zhì)量，將其添加至相應的結點位置。軸向拉力由繃繩總成承受，不考慮扭轉、彎曲等因素。建模過程中按照縱向彈簧單元對其進行處理。③經(jīng)過簡化處理后的井架，主要由井架托架、井架上體、井架下體和Y型底座組成，簡化后井架的連接點將被作為剛性連接點。④根據(jù)井架中梁、桿件在截面尺寸方面的差異，對井架各個單元進行劃分，可劃分為質(zhì)量單元、彈簧單元、管單元和梁單元四部分。⑤在鉆機底座上對井架進行安裝，因為鉆機底座的剛度比較大，所以可將其當作剛體，利用四個銷子將鉆機底座與井架連接在一起。其中，井架底部中的6個自由度、2個節(jié)點均受到限制，無法沿著Z軸、Y軸、X軸方向移動，也不能夠繞著Z軸、Y軸、X軸轉動，而井架背部上的兩個結點除了繞著X軸轉動沒有被限制，其余均被限制。

2井架的動態(tài)分析與靜態(tài)分析

2.1井架的靜態(tài)分析

不同的工作狀況下，鉆機井架所承受的外載也不相同。我們將井架外載主要劃分為水平載荷和垂直荷載兩類。其中，水平荷載主要包括立根水平負載、風載等；垂直荷載主要包括井架附件自重、井架自重等。

風載，實質(zhì)上就是井架的水平荷載，指風從任意的方向吹過的時候，對井架結構上全部處于外露狀態(tài)的構件作用的結果。風產(chǎn)生的作用是變化的，在不同的時段中，風速也不相同，同一個時段中，不同高度的風速也不相同。一系列實測數(shù)據(jù)表明，大風過程中，風力達到最強狀態(tài)的時候，任何高度的風速均圍繞著某一個穩(wěn)定值呈現(xiàn)上下波動狀況。

井架的安裝計算方法：假設在一定的時間間隔中，風力的方向、大小均穩(wěn)定，其計算公式為：

F＝P?A. （1）

在（1）式中，F(xiàn)——井架承受的風載荷；

P——風壓；

A——井架全部外露的表面積在垂直方向投影的總面積。

根據(jù)API Spec4A中的風壓計算式，可得：

P＝0.006 25V 2CsCh.（2）

在（2）式中，V——平均風速；

Cs——環(huán)流系數(shù)；

Ch ——風壓高度系數(shù)。

2.2井架的動態(tài)分析

為了對ZJ30/1700CZ鉆機井架進行合理的設計，應當了解和掌握井架具備的固有振動特性。

2.2.1模態(tài)分析

首先，采用ANSYS軟件對自然狀態(tài)下的井架結構進行模態(tài)分析，可以獲取井架前9階的固有頻率，如表1所示。

表1井架前9階固有頻率

階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

固有頻率/Hz 0.797 09 1.372 3 2.645 1 4.103 3 4.978 9 9.203 6 13.216 13.504 16.496

2.2.2主模態(tài)分析

由表1可知，第1階主模態(tài)主要為井架做大幅度前后搖擺；第2階主模態(tài)主要為井架做大幅左右一階搖擺；第3階主模態(tài)主要為井架在較為強烈的狀態(tài)下圍繞著Z軸的一階做扭轉運動；第4階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺；第5階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺；第6階主模態(tài)主要為井架上體在較為強烈的狀態(tài)下圍繞Z軸的一階做扭轉運動；第7階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺，而且井架上體中的存托架出現(xiàn)小幅度的振動；第8階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺，而且井架下體部分的兩側處于強烈的擺動狀態(tài)；第9階主模態(tài)主要為井架下體兩側處于強烈的左右振動狀態(tài)，同時井架呈現(xiàn)輕微的上下振動。

3結束語

現(xiàn)階段，CAE技術在井架的設計中不僅得到更廣泛的應用，而且發(fā)揮的作用也越來越重要，它能夠為井架設計的合理性、正確性提供有力的保障。

參考文獻

［1］張波.應用CAE軟件分析計算鉆機井架靜應力［D］.蘭州：蘭州理工大學，2010.

〔編輯：王霞〕

（英文摘要、關鍵詞下轉第32頁）

摘要：對CAE技術在井架設計中的應用進行深入分析，探究ZJ30/1700CZ鉆機井架在有鉤載情況、自然狀態(tài)下的模態(tài)和靜態(tài)，為井架的合理設計提供參考。

關鍵詞：CAE技術；井架；荷載；模態(tài)分析

中圖分類號：TE923 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0030－02

CAE，英文全稱為Computer Aided Engineering，即計算機輔助工程。CAE技術，實質(zhì)上就是利用計算機對產(chǎn)品、工程的性能和功能進行計算和優(yōu)化設計，模擬仿真未來產(chǎn)品和工程的運行狀況和工作狀況，盡早發(fā)現(xiàn)設計方面存在的不足，并對設計方案進行優(yōu)化和完善的一種技術。

目前來看，CAD軟件具備強大的三維實體設計功能和較強的捕捉設計意識，使用CAD軟件能夠迅速得到產(chǎn)品的幾何模型。但是，要從根本上改善產(chǎn)品性能、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品成本，還是需要采用計算機輔助工程技術，即CAE技術。從CAE技術的發(fā)展過程來看，CAE技術是CAD技術的延伸。

1有限分析模型

井架的結構比較復雜，通常情況下，并不會完全按照鉆機井架的實際結構對其進行計算分析。所以，要對鉆機井架的結構進行簡化，建立一個與井架實際結構相類似的力學模型，并將此作為基礎，對這一鉆機井架做動態(tài)分析和靜態(tài)分析。

在簡化鉆機井架時，要從以下幾方面入手：①鉆機井架中的所有節(jié)點都屬于焊接過程中的剛性節(jié)點，井架上的各個桿件不僅要承受軸向力，還要承受附加的彎矩作用。所以，在簡化井架實際結構時，可以將其轉變?yōu)榭臻g鋼架結構，并將單元改為管單元或者三維梁單元。②在建造模型的過程中，可以將二層臺吊繩總成、井架扶梯、天車和二層臺等一系列井架附件去掉，因為這些附件對于整個井架的剛度并不會產(chǎn)生較大影響。但是，天車、二層臺的質(zhì)量比較大，在建模過程中要考慮到天車、二層臺的質(zhì)量，將其添加至相應的結點位置。軸向拉力由繃繩總成承受，不考慮扭轉、彎曲等因素。建模過程中按照縱向彈簧單元對其進行處理。③經(jīng)過簡化處理后的井架，主要由井架托架、井架上體、井架下體和Y型底座組成，簡化后井架的連接點將被作為剛性連接點。④根據(jù)井架中梁、桿件在截面尺寸方面的差異，對井架各個單元進行劃分，可劃分為質(zhì)量單元、彈簧單元、管單元和梁單元四部分。⑤在鉆機底座上對井架進行安裝，因為鉆機底座的剛度比較大，所以可將其當作剛體，利用四個銷子將鉆機底座與井架連接在一起。其中，井架底部中的6個自由度、2個節(jié)點均受到限制，無法沿著Z軸、Y軸、X軸方向移動，也不能夠繞著Z軸、Y軸、X軸轉動，而井架背部上的兩個結點除了繞著X軸轉動沒有被限制，其余均被限制。

2井架的動態(tài)分析與靜態(tài)分析

2.1井架的靜態(tài)分析

不同的工作狀況下，鉆機井架所承受的外載也不相同。我們將井架外載主要劃分為水平載荷和垂直荷載兩類。其中，水平荷載主要包括立根水平負載、風載等；垂直荷載主要包括井架附件自重、井架自重等。

風載，實質(zhì)上就是井架的水平荷載，指風從任意的方向吹過的時候，對井架結構上全部處于外露狀態(tài)的構件作用的結果。風產(chǎn)生的作用是變化的，在不同的時段中，風速也不相同，同一個時段中，不同高度的風速也不相同。一系列實測數(shù)據(jù)表明，大風過程中，風力達到最強狀態(tài)的時候，任何高度的風速均圍繞著某一個穩(wěn)定值呈現(xiàn)上下波動狀況。

井架的安裝計算方法：假設在一定的時間間隔中，風力的方向、大小均穩(wěn)定，其計算公式為：

F＝P?A. （1）

在（1）式中，F(xiàn)——井架承受的風載荷；

P——風壓；

A——井架全部外露的表面積在垂直方向投影的總面積。

根據(jù)API Spec4A中的風壓計算式，可得：

P＝0.006 25V 2CsCh.（2）

在（2）式中，V——平均風速；

Cs——環(huán)流系數(shù)；

Ch ——風壓高度系數(shù)。

2.2井架的動態(tài)分析

為了對ZJ30/1700CZ鉆機井架進行合理的設計，應當了解和掌握井架具備的固有振動特性。

2.2.1模態(tài)分析

首先，采用ANSYS軟件對自然狀態(tài)下的井架結構進行模態(tài)分析，可以獲取井架前9階的固有頻率，如表1所示。

表1井架前9階固有頻率

階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

固有頻率/Hz 0.797 09 1.372 3 2.645 1 4.103 3 4.978 9 9.203 6 13.216 13.504 16.496

2.2.2主模態(tài)分析

由表1可知，第1階主模態(tài)主要為井架做大幅度前后搖擺；第2階主模態(tài)主要為井架做大幅左右一階搖擺；第3階主模態(tài)主要為井架在較為強烈的狀態(tài)下圍繞著Z軸的一階做扭轉運動；第4階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺；第5階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺；第6階主模態(tài)主要為井架上體在較為強烈的狀態(tài)下圍繞Z軸的一階做扭轉運動；第7階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺，而且井架上體中的存托架出現(xiàn)小幅度的振動；第8階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺，而且井架下體部分的兩側處于強烈的擺動狀態(tài)；第9階主模態(tài)主要為井架下體兩側處于強烈的左右振動狀態(tài)，同時井架呈現(xiàn)輕微的上下振動。

3結束語

現(xiàn)階段，CAE技術在井架的設計中不僅得到更廣泛的應用，而且發(fā)揮的作用也越來越重要，它能夠為井架設計的合理性、正確性提供有力的保障。

參考文獻

［1］張波.應用CAE軟件分析計算鉆機井架靜應力［D］.蘭州：蘭州理工大學，2010.

〔編輯：王霞〕

（英文摘要、關鍵詞下轉第32頁）

摘要：對CAE技術在井架設計中的應用進行深入分析，探究ZJ30/1700CZ鉆機井架在有鉤載情況、自然狀態(tài)下的模態(tài)和靜態(tài)，為井架的合理設計提供參考。

關鍵詞：CAE技術；井架；荷載；模態(tài)分析

中圖分類號：TE923 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0030－02

CAE，英文全稱為Computer Aided Engineering，即計算機輔助工程。CAE技術，實質(zhì)上就是利用計算機對產(chǎn)品、工程的性能和功能進行計算和優(yōu)化設計，模擬仿真未來產(chǎn)品和工程的運行狀況和工作狀況，盡早發(fā)現(xiàn)設計方面存在的不足，并對設計方案進行優(yōu)化和完善的一種技術。

目前來看，CAD軟件具備強大的三維實體設計功能和較強的捕捉設計意識，使用CAD軟件能夠迅速得到產(chǎn)品的幾何模型。但是，要從根本上改善產(chǎn)品性能、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品成本，還是需要采用計算機輔助工程技術，即CAE技術。從CAE技術的發(fā)展過程來看，CAE技術是CAD技術的延伸。

1有限分析模型

井架的結構比較復雜，通常情況下，并不會完全按照鉆機井架的實際結構對其進行計算分析。所以，要對鉆機井架的結構進行簡化，建立一個與井架實際結構相類似的力學模型，并將此作為基礎，對這一鉆機井架做動態(tài)分析和靜態(tài)分析。

在簡化鉆機井架時，要從以下幾方面入手：①鉆機井架中的所有節(jié)點都屬于焊接過程中的剛性節(jié)點，井架上的各個桿件不僅要承受軸向力，還要承受附加的彎矩作用。所以，在簡化井架實際結構時，可以將其轉變?yōu)榭臻g鋼架結構，并將單元改為管單元或者三維梁單元。②在建造模型的過程中，可以將二層臺吊繩總成、井架扶梯、天車和二層臺等一系列井架附件去掉，因為這些附件對于整個井架的剛度并不會產(chǎn)生較大影響。但是，天車、二層臺的質(zhì)量比較大，在建模過程中要考慮到天車、二層臺的質(zhì)量，將其添加至相應的結點位置。軸向拉力由繃繩總成承受，不考慮扭轉、彎曲等因素。建模過程中按照縱向彈簧單元對其進行處理。③經(jīng)過簡化處理后的井架，主要由井架托架、井架上體、井架下體和Y型底座組成，簡化后井架的連接點將被作為剛性連接點。④根據(jù)井架中梁、桿件在截面尺寸方面的差異，對井架各個單元進行劃分，可劃分為質(zhì)量單元、彈簧單元、管單元和梁單元四部分。⑤在鉆機底座上對井架進行安裝，因為鉆機底座的剛度比較大，所以可將其當作剛體，利用四個銷子將鉆機底座與井架連接在一起。其中，井架底部中的6個自由度、2個節(jié)點均受到限制，無法沿著Z軸、Y軸、X軸方向移動，也不能夠繞著Z軸、Y軸、X軸轉動，而井架背部上的兩個結點除了繞著X軸轉動沒有被限制，其余均被限制。

2井架的動態(tài)分析與靜態(tài)分析

2.1井架的靜態(tài)分析

不同的工作狀況下，鉆機井架所承受的外載也不相同。我們將井架外載主要劃分為水平載荷和垂直荷載兩類。其中，水平荷載主要包括立根水平負載、風載等；垂直荷載主要包括井架附件自重、井架自重等。

風載，實質(zhì)上就是井架的水平荷載，指風從任意的方向吹過的時候，對井架結構上全部處于外露狀態(tài)的構件作用的結果。風產(chǎn)生的作用是變化的，在不同的時段中，風速也不相同，同一個時段中，不同高度的風速也不相同。一系列實測數(shù)據(jù)表明，大風過程中，風力達到最強狀態(tài)的時候，任何高度的風速均圍繞著某一個穩(wěn)定值呈現(xiàn)上下波動狀況。

井架的安裝計算方法：假設在一定的時間間隔中，風力的方向、大小均穩(wěn)定，其計算公式為：

F＝P?A. （1）

在（1）式中，F(xiàn)——井架承受的風載荷；

P——風壓；

A——井架全部外露的表面積在垂直方向投影的總面積。

根據(jù)API Spec4A中的風壓計算式，可得：

P＝0.006 25V 2CsCh.（2）

在（2）式中，V——平均風速；

Cs——環(huán)流系數(shù)；

Ch ——風壓高度系數(shù)。

2.2井架的動態(tài)分析

為了對ZJ30/1700CZ鉆機井架進行合理的設計，應當了解和掌握井架具備的固有振動特性。

2.2.1模態(tài)分析

首先，采用ANSYS軟件對自然狀態(tài)下的井架結構進行模態(tài)分析，可以獲取井架前9階的固有頻率，如表1所示。

表1井架前9階固有頻率

階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

固有頻率/Hz 0.797 09 1.372 3 2.645 1 4.103 3 4.978 9 9.203 6 13.216 13.504 16.496

2.2.2主模態(tài)分析

由表1可知，第1階主模態(tài)主要為井架做大幅度前后搖擺；第2階主模態(tài)主要為井架做大幅左右一階搖擺；第3階主模態(tài)主要為井架在較為強烈的狀態(tài)下圍繞著Z軸的一階做扭轉運動；第4階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺；第5階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺；第6階主模態(tài)主要為井架上體在較為強烈的狀態(tài)下圍繞Z軸的一階做扭轉運動；第7階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺，而且井架上體中的存托架出現(xiàn)小幅度的振動；第8階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺，而且井架下體部分的兩側處于強烈的擺動狀態(tài)；第9階主模態(tài)主要為井架下體兩側處于強烈的左右振動狀態(tài)，同時井架呈現(xiàn)輕微的上下振動。

3結束語

現(xiàn)階段，CAE技術在井架的設計中不僅得到更廣泛的應用，而且發(fā)揮的作用也越來越重要，它能夠為井架設計的合理性、正確性提供有力的保障。

參考文獻

［1］張波.應用CAE軟件分析計算鉆機井架靜應力［D］.蘭州：蘭州理工大學，2010.

〔編輯：王霞〕

（英文摘要、關鍵詞下轉第32頁）