基于優(yōu)化的在役石油井架承載能力檢測仿真研究

1、北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文基于優(yōu)化的在役石油井架承載能力檢測仿真研究姓名：魏遼申請學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論指導(dǎo)教師：顏廷俊20100526摘要基于優(yōu)化的在役石油井架承載能力檢測仿真研究摘要受環(huán)境及搬遷影響，石油井架在使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生多種缺陷，致使承載能力下降，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定須進(jìn)行承載能力檢測。目前的檢測由于受井架較高、攀爬危險(xiǎn)等因素影響，其應(yīng)力檢測布點(diǎn)測量部位集中在位置較低層面。對于使用多年且存在缺陷（特別是較嚴(yán)重缺陷）的井架來說，其測試獲得的數(shù)據(jù)可能不是井架最危險(xiǎn)、受力最大的部位，用此數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)進(jìn)行評估計(jì)算難免帶來誤差。為建立與在役石油井架等效的仿真模型，探索井架各類型缺陷對其受力狀況

2、的影響，提高模型與實(shí)測井架之間應(yīng)力、損傷缺陷狀況等數(shù)據(jù)的吻合精度，獲得在役井架現(xiàn)場承載能力。本文依托有限元分析計(jì)算基礎(chǔ)，建立了無損傷缺陷井架受力計(jì)算模型并進(jìn)行了仿真分析，得到無損傷缺陷井架受載時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律，再以仿真分析井架存在局部桿件截面銹蝕、彎曲、大腿整體彎曲及支座沉降等缺陷時(shí)井架應(yīng)力分布特點(diǎn)為基礎(chǔ)，提出一種基于井架桿件實(shí)測應(yīng)力與仿真模型應(yīng)力數(shù)值的均方差構(gòu)建的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以井架缺陷類型、位置、程度等參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，桿件材料的許用應(yīng)力為約束條件，運(yùn)用零階和一階優(yōu)化算法的模型修正方法。將此方法應(yīng)用于含損傷缺陷的仿真井架和實(shí)驗(yàn)井架，對井架有限元仿真模型進(jìn)行修正后，通過提取測點(diǎn)處桿件應(yīng)力，對比實(shí)

3、際井架和修正后井架的損傷狀況及應(yīng)力分布，相對誤差在左右。表明該方法用于鉆井井架結(jié)構(gòu)極限承載能力評定是可行和有效的，為鉆機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了重要參考依據(jù)。北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文關(guān)鍵詞：井架，損傷缺陷，優(yōu)化，模型修正，承載能力摘要，北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文；，；，：，北京化工大學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：。嘭關(guān)于論文使

4、用授權(quán)的說明學(xué)位論文作者完全了解北京化工大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬北京化工大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密范圍，在土年解密后適用本授權(quán)書。非保密論文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：勉：幺日期：叢壘坐！蘭，丕簽第一章緒論第一章前言緒論“基于優(yōu)化的在役石油井架承載能力檢測仿真研究”項(xiàng)目，是中國石油天然氣集團(tuán)于年月審批的中

5、國石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目，該項(xiàng)目針對現(xiàn)有的井架檢測標(biāo)準(zhǔn)中檢測方法不完善性及局限性而提出，旨在提高在役石油井架承載能力檢測水平及鉆井現(xiàn)場安全運(yùn)行保障能力。項(xiàng)目研究的目的意義石油井架在現(xiàn)場服役多年以后，由于經(jīng)受日曬雨淋，頻繁搬運(yùn)等影響，會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，包括井架大腿整體彎曲、支座沉降、局部桿件彎曲與腐蝕、載荷偏心等，使其難以滿足出廠時(shí)的設(shè)計(jì)載荷要求。為了安全生產(chǎn)也為了能夠科學(xué)、準(zhǔn)確地評定在役井架的承載能力，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在現(xiàn)場施加一定載荷，使用應(yīng)變技術(shù)測量井架受力。以現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)推算和計(jì)算，最后得出在役井架的承載能力。這種方法確實(shí)解決了現(xiàn)場測試在役井架受力并最終計(jì)算出承載能力的問題，但也存在

6、諸多不足：如為安全起見，現(xiàn)場測試人員一般不測量攀爬困難和危險(xiǎn)的部位。測量點(diǎn)只布置在幾個(gè)有限的部位，對于一個(gè)使用多年且存在缺陷（特別是較嚴(yán)重缺陷）的井架來說，這樣測試所獲得的數(shù)據(jù)可能不是井架最危險(xiǎn)、受力最大的部位；再一點(diǎn)就是由于現(xiàn)場施加大載荷困難，無法獲得大載荷作用下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。給評估計(jì)算帶來誤差，影響安全生產(chǎn)。據(jù)此，提出了“基于優(yōu)化的在役石油井架承載能力檢測仿真研究”課題。該課題是利用軟件的優(yōu)化算法，結(jié)合井架缺陷處理技術(shù)，基于實(shí)測井架應(yīng)力及模型修正理論，建立符合實(shí)際的仿真模型，施加較大載荷，從而計(jì)算出整個(gè)井架各千件的受力分布，由此，計(jì)算出在役井架的承載能力一該課題對提高石油井架檢測技術(shù)水平，科

7、學(xué)、有效評估在役井架結(jié)構(gòu)承載能力具有重要意義。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢石油鉆井井架作為油田重要裝備，在鉆井作業(yè)中發(fā)揮極其重要的作用。由于其工作環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)承受動(dòng)、靜載荷較大，受力復(fù)雜，因此，諸多學(xué)者對井架進(jìn)行了較多研究。早期的研究大都集中在對井架整體受力狀況及模態(tài)參數(shù)進(jìn)行人工計(jì)算或者有限元有限元分析，從而得到井架應(yīng)力分布及模態(tài)分布狀態(tài)，找出井架在承受靜、動(dòng)載時(shí)其應(yīng)力、位移最大部位和載荷對井架模態(tài)的分布規(guī)律的影響，研究了井架各階振型特點(diǎn)，從而確定井架整體的剛度和質(zhì)量分布情況，對獲悉井架整體受力情況提供了力北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)基礎(chǔ)【圳。隨著研究的深入，指出了有限元的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測是結(jié)果存在

8、較大差異，由此提出了在役井架承載能力計(jì)算必須考慮其損傷缺陷的影響【】。對于含損傷缺陷的在役井架承載能力仿真研究，部分學(xué)者從靜力數(shù)據(jù)（應(yīng)力、位移）角度入手，將其作為井架仿真模型修正的輸入?yún)?shù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力計(jì)算。韓東穎、李子豐等人研究了在役井架的力學(xué)特征，以井架桿件測試應(yīng)力為重要指標(biāo)，提出了與應(yīng)力有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)作為修正對象的有限元模局部型修正理論，基于結(jié)構(gòu)線性屈曲法和幾何非線性、材料非線性的雙重非線性仿真模型的分析方法，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測井架危險(xiǎn)部位及失穩(wěn)形式，評價(jià)了實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場含損傷缺陷井架的極限承載能力【。；劉金梅、周國強(qiáng)等人針對井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和存在的損傷類型，提出損傷指標(biāo)函數(shù)的概念，構(gòu)

9、建三種常見損傷形式，包括：截面銹蝕、桿件初彎曲、載荷偏心的損傷指標(biāo)函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)考慮結(jié)構(gòu)雙重非線性對井架承載能力影響，從而建立了石油井架承載能力的仿真評價(jià)體系訓(xùn)。研究者們試圖從靜力分析數(shù)據(jù)及模型修正理論角度尋求建立與含損傷缺陷井架相似和等效的仿真模型，以期通過合適的仿真方法得到該型井架的極限承載能力，由于桿件彎曲等局部缺陷對井架整體靜力參數(shù)（應(yīng)力，位移）等影響具有局部性，靜力參數(shù)對損傷位置不敏感，因此，僅憑靜力方法獲知局部缺陷井架結(jié)構(gòu)整體承載能力會(huì)產(chǎn)生較大誤差。鑒于此，許多學(xué)者對井架動(dòng)力特性開展了研究，通過有限元方法分析獲得井架動(dòng)態(tài)特性及動(dòng)力參數(shù)（頻率、振型）與其承載能力的內(nèi)在聯(lián)系卜。其中

10、，劉金梅，周國強(qiáng)等人利用靈敏度分析方法與優(yōu)化理論，確定井架結(jié)構(gòu)主要承載桿件的修正參數(shù)（桿件材料、截面形狀和幾何尺寸），以試驗(yàn)?zāi)B(tài)與理論模態(tài)之間的殘差作為優(yōu)化修正函數(shù)，借助有限元分析軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊和強(qiáng)大的計(jì)算分析功能，對井架的仿真模型進(jìn)行動(dòng)力參數(shù)修正，并用于在役石油井架承載力的預(yù)測和安全評估；國外針對在役含損傷石油井架的承載能力研究成果較少，也未涉及到具體的井架損傷識(shí)別與模型修正問題【以】。因此，對于含損傷缺陷在役石油井架承載能力研究領(lǐng)域，學(xué)者大都專注于單一地以靜力（應(yīng)力、位移）或者動(dòng)力（頻率、模態(tài)）測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用單目標(biāo)優(yōu)化算法的模型修正方法對井架模型進(jìn)行修正，進(jìn)而分析整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力，

11、得出井架的承載能力。對于使用靜力或者動(dòng)力參數(shù)這種單一工具，由于現(xiàn)場傳感器布點(diǎn)數(shù)量限制導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)有限，即使運(yùn)用其它數(shù)據(jù)處理方法及數(shù)學(xué)分析工具，也難以將結(jié)構(gòu)損傷全貌勾勒出來，尤其是針對桁架結(jié)構(gòu)，桿桿件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要確定其局部的損傷并準(zhǔn)確、科學(xué)、可靠地評估出結(jié)構(gòu)承載能力也是困難重重。模型修正技術(shù)在橋梁、空間桁架、航空航天等領(lǐng)域發(fā)展較早，通過采用合適的優(yōu)化算法，對含有損傷缺陷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型修正，正確分析結(jié)構(gòu)受力，從而可以有效地提高結(jié)構(gòu)承載能力評估精度。向天宇等人根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測靜力數(shù)據(jù)（應(yīng)力、位移），通過敏感性分析選取合適的修正方式，對現(xiàn)有含有損傷缺陷的梁、大橋、弦支穹項(xiàng)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元模型修正

12、，并評估了該結(jié)構(gòu)的承載能力。另有不少學(xué)者結(jié)合結(jié)構(gòu)第一章緒論的動(dòng)力參數(shù)（頻率、模態(tài)），構(gòu)建有限元理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間數(shù)據(jù)差異的目標(biāo)函數(shù)，選取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，利用收斂速度快、收斂精度高的優(yōu)化算法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元修正，得到與實(shí)際結(jié)構(gòu)損傷狀況及動(dòng)力參數(shù)一直的仿真模型，為結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與健康監(jiān)測提供基礎(chǔ)計(jì)算模型射?！?。國外學(xué)者對模型修正與損傷識(shí)別技術(shù)的研究也是集中在建筑結(jié)構(gòu)上，通過采集結(jié)構(gòu)的相關(guān)靜力或者動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)行有限元模型修正，在理淪和實(shí)際應(yīng)用方面都獲得了相應(yīng)的成果，等人主要是使用動(dòng)力參數(shù)對橋梁等有限元模型進(jìn)行了修正，并用于結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別【】；等人實(shí)測現(xiàn)場結(jié)構(gòu)靜力數(shù)據(jù)，并使用模型修正方法對

13、桁架、弧形結(jié)構(gòu)、梁結(jié)構(gòu)等的某些損傷缺陷諸如螺栓聯(lián)結(jié)松動(dòng)等進(jìn)行了損傷識(shí)別，表明該方法用于結(jié)構(gòu)的基于模型修正的損傷識(shí)別中是可行的。文獻(xiàn)列舉了以橋梁等結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)實(shí)測值為依托，和已建立的有限元模型給出的計(jì)算值進(jìn)行對比、優(yōu)化，從而得出精確的有限元模型。有限元模型修正技術(shù)就是要充分利用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和有限元分析二者的優(yōu)點(diǎn)，用少量的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)對有限元模型進(jìn)行優(yōu)化修正，從而獲得比較準(zhǔn)確的有限元模型。如上所述，利用有限元優(yōu)化方法進(jìn)行模型修正在航空、橋梁等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并未涉入到石油井架；國內(nèi)對井架的模型修正體現(xiàn)在：一是將各缺陷以函數(shù)形式或者參考的統(tǒng)一折減系數(shù)定量化加在模型中進(jìn)行各缺陷對井架受力的影響研究

14、；二是在建立的模型中通過人工不斷修改井架壁厚等設(shè)計(jì)參數(shù)從而改變井架受力大小，直到與測試數(shù)據(jù)一致為止。前者奠定了缺陷對井架受力影響的研究基礎(chǔ)，后者的研究更進(jìn)一步，但工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。國外對井架檢測只是檢測有關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行故障診斷，并為涉及井架模型修正的問題。因此，利用有限元優(yōu)化方法進(jìn)行石油井架模型自動(dòng)修正，方便、快捷，使建立的模型更接近于在役實(shí)測井架，其得出的數(shù)據(jù)應(yīng)用在井架檢測評估計(jì)算中將更加科學(xué)和準(zhǔn)確。研究的主要內(nèi)容（）基于現(xiàn)有井架圖紙，建立無損失缺陷型井架有限元仿真計(jì)算模型，并總結(jié)無損傷缺陷井架受力特點(diǎn)與應(yīng)力分布規(guī)律。（）調(diào)研井架存在各類主要缺陷，制定各類缺陷仿真、等效方法，利用軟件仿真計(jì)

15、算井架存在單一或者組合缺陷時(shí)其應(yīng)力分布及承載能力。（）建立含損傷缺陷參考仿真井架，并以相應(yīng)層位單元桿件應(yīng)力為實(shí)測應(yīng)力為基礎(chǔ)，采用優(yōu)化算法對仿真井架模型進(jìn)行修正，得到與參考仿真井架損傷缺陷及應(yīng)力分布相似的仿真計(jì)算井架，并計(jì)算出該含損傷缺陷參考仿真井架的承載能力。（）根據(jù)實(shí)際井架圖紙，制作實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)井架縮微模型，比例為：，并利用采用應(yīng)變測量方法測試井架不同載荷下相應(yīng)層位桿件應(yīng)力，并采集、整理相應(yīng)數(shù)據(jù)。（）以實(shí)驗(yàn)室井架應(yīng)力測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用優(yōu)化方法對所建立的實(shí)驗(yàn)井架仿北京化大學(xué)碩二學(xué)位論文真計(jì)算模型進(jìn)行修正，得到與實(shí)驗(yàn)井架損傷缺陷及應(yīng)力分確計(jì)目似的仿真井架，并計(jì)算出該實(shí)驗(yàn)井架的承載能力。（）對比以

16、參考仿真井架和實(shí)驗(yàn)井架應(yīng)力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得出的井架承載能力，分析基于實(shí)測應(yīng)力數(shù)據(jù)與優(yōu)化算法的承載能力評估方法的可行性。（）根據(jù)現(xiàn)場在役鉆機(jī)井架（型）圖紙，在軟件中建立無損傷缺陷的計(jì)算機(jī)仿真模型，通過采集現(xiàn)場井架加載后相應(yīng)層位應(yīng)力數(shù)據(jù)，利用前述優(yōu)化方法對現(xiàn)場井架的仿真模型進(jìn)行修正，并以修正后模型為基礎(chǔ)評估該在役井架的承載能力。研究的關(guān)鍵技術(shù)（）應(yīng)用軟件建立井架承載能力分析的仿真模型（）解決在役井架存在不同缺陷時(shí)其仿真分析處理技術(shù)問題。（）基于實(shí)測井架應(yīng)力數(shù)據(jù)，與仿真建立的井架模型的應(yīng)力數(shù)據(jù)構(gòu)建模型修正優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。（）井架結(jié)構(gòu)模型修正優(yōu)化算法。第二章無損傷缺陷石油架有限元分析技術(shù)第二章有限元分析軟件

17、無損傷缺陷石油井架有限元分析技術(shù)為了準(zhǔn)確獲得石油井架承載能力，可行且有效的方法是運(yùn)用有限元分析軟件，對井架進(jìn)行加載仿真計(jì)算。有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力：后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示

18、、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。有限元建?；A(chǔ)利用可以對井架進(jìn)行應(yīng)力、變形和承載能力分析。對于石油井架的有限元分析，要獲得可靠分析結(jié)果，必須建立合理的分析模型、選擇正確的分析理論。因此，從石油井架總體的分析方法考慮，可以按實(shí)體建模分析，也可以按線性單元模型進(jìn)行分析。根據(jù)石油井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將其簡化成為空間剛架分析模型。單元類型選擇基于軟件進(jìn)行有限元計(jì)算分析時(shí)，最為關(guān)鍵的步驟是確定分析類型、選擇單元類型?，F(xiàn)行的剛架結(jié)構(gòu)研究與分析方法中，單元分析類型一般采用線性單元，而具備了較為全

19、面的單元析類型庫，其中包含了多種線單元類型，每種單元類型具有較為完備且針對性極強(qiáng)的計(jì)算理論。確定線性單元分析類型之后，考慮到井架各桿件受力較為復(fù)雜，同時(shí)承受軸向力和彎矩作用，因此選用這種三維彈性梁單元作為有限元分析對象。單元理論基礎(chǔ)北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文梁單元為空間鋼架單元，次單元具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有個(gè)自由度，即沿、軸方向的平動(dòng)自由度和繞、軸的旋轉(zhuǎn)自由度?？蛇x擇的節(jié)點(diǎn)用于該單元在空間的定位。該單元可用于分析承受拉、壓、彎、扭等的單軸受力，其自由度分布為圖所示。圖梁單元自由度分布。（）單元?jiǎng)偠染仃嚒尽客h巳對稱的乞】勺，憶。俐乞叫勺憶，。，式中：橫截面積一彈性模量三一單元長度一剪切模量

20、，一噴慨侄織汐，。一輸入扭轉(zhuǎn)慣性矩以一極慣性矩第二章無損傷缺陷石油井架自限元分析技術(shù)口（，力）；口（，統(tǒng)）；吃（，吟）（，辦）；乃廠（，唬）印糾尚（，）而麗棚）端巾，）可（可）孟一，辦歷萬覽歷一方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量工一一第個(gè)方向上的標(biāo)準(zhǔn)剪切面積?？梢患羟姓扯荣|(zhì)量矩陣如式（）佑以以乃彳對稱的”（）髟【】佰彳乃芝母以佑哆以仃爿一也疋式中：，（）（擁）北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文一密度一單位長度的質(zhì)量礦一預(yù)應(yīng)變彳（藝，影）：，彳（，純）：芝召（乞，方）（乞，哆）；，（，吮）“，力型鏟召（刪）盟礦一一痧一口一。，擊、一曇云三喜（，）擊、一）（旦旦去矽（去一丟（，三）三（，痧）矽矽【）呻糾：匝乒垃砷糾：墮笪等型業(yè)

21、砷糾：盛生等型唑。：序刪半徑乞序刪半徑單元局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系為：第二章無損傷缺陷石油井架有限元分析技術(shù)式中，）一單元局部坐標(biāo)系中位移向量“卜氆體坐標(biāo)系中位移向量【疋】【】定義如下：一其中：，扒是艫艫墨墨墨（一墨島）島（一墨是一）（）墨等鯽馮足孕島（）學(xué)加覡如寺（）五一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，依次類推；在平面上長度的投影；：口整體坐標(biāo)與局部坐標(biāo)的相位角；如果給出第三個(gè)節(jié)點(diǎn)，則不需要使用秒。原點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的向量圪）原點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的向量巧）原點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的向量北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文圪與總體坐標(biāo)軸平行的單位向量。圪巧巧）節(jié)點(diǎn)與之間的向量（）圪）一）沿局部坐標(biāo)系中軸的向量（）巧圪×（）圪圪。（）在整體坐

22、標(biāo)系下單元?jiǎng)偠染仃囎優(yōu)椋耗摹尽俊灸俊抉狻浚ǎ??！口罱z】【】（）【疋】【砭】【瓦】”（），【砟）（）（【疋】被定義為大變形）。（）應(yīng)力計(jì)算第端的截面應(yīng)力：礦：（）彳、其中：萬蘆截面應(yīng)力。；一橫向力彎曲應(yīng)力：蟛等（）蟛等（）第二章無損傷缺陷石油井架囪限元分析技術(shù)盯擘一第端梁的側(cè)單元上方向上的彎曲應(yīng)力；盯浮一第端梁側(cè)單元上方向上的彎曲應(yīng)力；“一端軸單元上的轉(zhuǎn)矩；：；一端軸單元上的轉(zhuǎn)矩；乞一單元方向上梁的厚度；，一單元方向上梁的厚度；最大、最小應(yīng)力分別為：礦礦嘭略（）礦礦一睹嗜（）如果單元橫截面為矩形，則橫截面的最大與最小應(yīng)力出現(xiàn)在邊緣上；如果橫截面為其它形狀，例如橢圓，則必須將式（）和（）采

23、用其它合適的表達(dá)式替換。對于長的單元，當(dāng)其存在如加速度和壓力等非集中載荷時(shí)，則單元兩端不出現(xiàn)應(yīng)力極值而其中間的地方出現(xiàn)應(yīng)力極值。的坐標(biāo)系軟件提供了供用戶選擇的多種坐標(biāo)系，分別如下：總體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系：用來定義節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)等幾何形狀參數(shù)的空間位置。顯示坐標(biāo)系：用于列表和顯示幾何形狀。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系：定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度方向和節(jié)點(diǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)方向。單元坐標(biāo)系：確定材料特性主軸和單元結(jié)果數(shù)據(jù)方向。結(jié)果坐標(biāo)系：節(jié)點(diǎn)或單元結(jié)果數(shù)據(jù)在列表或顯示時(shí)所采用的特殊坐標(biāo)系，默認(rèn)時(shí)為整體坐標(biāo)系。軟件預(yù)設(shè)了三種總體坐標(biāo)系，即：直角坐標(biāo)系（迪卡爾坐標(biāo)系）、柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系，其中坐標(biāo)方向均符合右手定則（拇指指向，中指指向，

24、食指指向），各坐標(biāo)系具有共同的原點(diǎn)。在系統(tǒng)中，它們用坐標(biāo)系編碼來識(shí)別，即：是直角坐標(biāo)、代表柱坐標(biāo)、代表球坐標(biāo)，缺省方式為直角坐標(biāo)系，用戶也可以自己定義任意多種坐標(biāo)系，但在某一時(shí)刻只能激活一個(gè)坐標(biāo)系。北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖坐標(biāo)系右手定則梁單元坐標(biāo)系一般通過兩個(gè)或三個(gè)節(jié)點(diǎn)（，）定義一個(gè)梁單元，其中單元起始節(jié)點(diǎn)為，單元終了節(jié)點(diǎn)為，單元的參考點(diǎn)為。圖對梁單元坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)解釋。在進(jìn)行定義單元時(shí)，必須遵循梁單元坐標(biāo)系統(tǒng)準(zhǔn)則。如果節(jié)點(diǎn)未定義，則表示單元坐標(biāo)系的軸方向與空間坐標(biāo)系的軸方向相同，同時(shí)，在定義節(jié)點(diǎn)時(shí)其與、節(jié)點(diǎn)不能共線。在單元局部坐標(biāo)系中，其軸方向?yàn)楣?jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)方向，軸在節(jié)點(diǎn)、和構(gòu)成的平面上

25、且與軸垂直，軸可以應(yīng)用右手定則（大拇指為軸，中指為軸，則食指指向軸）確定。在局部坐標(biāo)下，將梁單元軸向方向始終定義為軸，這一規(guī)定對定義和計(jì)算軸慣性矩和軸慣性矩具有極大幫助。梁單元屬于線性單元范疇，在依托梁單元進(jìn)行有限元分析時(shí)，其截面慣性矩是極其重要的參數(shù)，在的規(guī)定中，截面慣性矩是一般是通過實(shí)常數(shù)方式給出的。對于空間剛架結(jié)構(gòu)來說，各桿件垂直桿長方向（桿件軸向）的截面存在兩個(gè)方向慣性矩，這兩個(gè)慣性矩與整體坐標(biāo)系之間的關(guān)系不是一一對應(yīng)的，因此這是定義梁單元時(shí)的需要引起注意的關(guān)鍵技術(shù)之一。第二章無損傷缺陷石油井架有限元分析技術(shù)圖粱單元坐標(biāo)原理圖實(shí)常數(shù)定義根據(jù)軟件相關(guān)規(guī)定，利用梁單元進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要

26、用戶輸入的實(shí)常數(shù)包括對軸的慣性矩、對軸的慣性矩、截面面積、梁方向的厚度、梁方向的厚度以及梁的線質(zhì)量。對于慣性矩的計(jì)算，需要根據(jù)不同截面形狀的材料進(jìn)行計(jì)算獲取。對于石油井架大腿主肢及斜撐、橫撐等結(jié)構(gòu)，常用材料的截面形狀包括：形型鋼、空心矩形型鋼、槽鋼、工字鋼、角鋼、圓管等，其慣性矩的計(jì)算可查閱材料力學(xué)中相關(guān)公式。如表、圖中所示給出了鋼架結(jié)構(gòu)截面實(shí)常數(shù)的計(jì)算實(shí)例。表剛架結(jié)構(gòu)的實(shí)常數(shù)實(shí)例北京化工大學(xué)碩：上學(xué)位論文圖剛架結(jié)構(gòu)簡例訪向方向從方向看桿梁截面形狀坊一，向從方向看桿粱截面形狀（）梁單元定義圖梁單元通過節(jié)點(diǎn)定義原則也第二章無損傷缺陷石油架有限元分析技術(shù)在定義梁單元時(shí)，通過線性桿件的兩個(gè)端點(diǎn)、和一

27、個(gè)參考點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)線單元。如果不定義參考節(jié)點(diǎn)，表示單元局部坐標(biāo)軸同空間坐標(biāo)軸方向相同。為了保證定義單元的準(zhǔn)確性，我們在建立井架單元時(shí)所有的梁單元都定義參考節(jié)點(diǎn)。、和三個(gè)節(jié)點(diǎn)必須構(gòu)成一個(gè)平面，參考節(jié)點(diǎn)的選擇必須注意不與、兩節(jié)點(diǎn)共線。圖剛架結(jié)構(gòu)，單元節(jié)點(diǎn)、分別為、時(shí)，可選擇參考節(jié)點(diǎn)有、，選擇那個(gè)節(jié)點(diǎn)作參考點(diǎn)在于個(gè)人習(xí)慣原則。對于空間斜桿單元在、構(gòu)成的垂直或水平平面內(nèi)，選取參考點(diǎn)時(shí)，一般將參考點(diǎn)選擇在其平面內(nèi)水平或垂直桿件的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。有限元模型分析計(jì)算石油井架有限元計(jì)算的幾何模型依據(jù)現(xiàn)有圖紙，利用，將井架結(jié)構(gòu)模型整理成線性圖，從圖中確定各桿件的連接點(diǎn)的坐標(biāo)及關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)。石油井架有限元計(jì)算實(shí)常數(shù)定義

28、實(shí)常數(shù)包括：截面面積（）、對軸慣性矩（）、對軸慣性矩（）、方向梁厚度（）、方向梁厚度（“）。通過內(nèi)部命令菜單，將準(zhǔn)備好的各種桿件實(shí)常數(shù)輸入到有限元計(jì)算模型中。建立節(jié)點(diǎn)和定義單元井架桿與桿焊接連接點(diǎn)即可視為中的節(jié)點(diǎn)，在圖紙中對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)：井架空間剛架結(jié)構(gòu)，選用三維彈性梁單元，通過節(jié)點(diǎn)之間直接連接形成線性單元。有限元計(jì)算的邊界條件在進(jìn)行石油井架有限元分析計(jì)算時(shí)，其邊界條件包含位移邊界條件與載荷邊界條件，通常進(jìn)行分析時(shí)，只需確定井架的項(xiàng)部節(jié)點(diǎn)載荷與底部鉸支處約束即可，具體如下：（）井架位移邊界條件大腿主肢支腳處為固定鉸支。對于型井架，其底部共四個(gè)鉸支，主肢兩個(gè)，人北京化工大學(xué)碩：學(xué)位論文字架兩

29、個(gè)，均是全約束。（）井架載荷邊界條件對于現(xiàn)場石油井架來說，其所受力主要來源于大鉤載荷。將其最大靜載荷均勻施加在井架頂端的四個(gè)節(jié)點(diǎn)，為了計(jì)算的簡便，不考慮井架承受的風(fēng)載及二層臺(tái)載荷。通過施加邊界條件，運(yùn)用的求解模塊即可分析得出井架各桿件的應(yīng)力及變形。結(jié)果后處理（）節(jié)點(diǎn)力輸出輸出整體坐標(biāo)下節(jié)點(diǎn)力，包括，三個(gè)方向的力和彎矩（、）（）節(jié)點(diǎn)位移輸出輸出整體坐標(biāo)下節(jié)點(diǎn)位移，包括，三個(gè)方向位移（、）。（）單元應(yīng)力輸出三維彈性梁單元桿件應(yīng)力輸出，是以線單元的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)的。模型參數(shù)化技術(shù)與語言模型參數(shù)化技術(shù)是指設(shè)計(jì)對象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約束尺寸的關(guān)系，設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動(dòng)的影響，所以也

30、稱為參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)。因此，在對井架進(jìn)行有限元建模及分析，以及后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程均可以采用語言編程，實(shí)現(xiàn)有限元分析與仿真的程序化。無損傷缺陷井架受力計(jì)算井架技術(shù)參數(shù)以鉆機(jī)井架為例，其主要技術(shù)參數(shù)：以型井架為例，井架高度：，井架大腿、正面橫撐及側(cè)面段與段連接處橫撐采用矩形鋼，正面斜撐采用圓管，側(cè)面斜撐及除段與段連接處以外橫撐采用角鋼，頂部框架采用型工字鋼，鋼架整體采用鋼材，其材料彈性模量，泊松比。設(shè)計(jì)載荷：，模型簡化方案第一無拭傷挑“糶仃，“扯術(shù)（）井架視為空間桁架結(jié)構(gòu)，每根桿件視為仿真計(jì)算中的一個(gè)計(jì)算單（）二層臺(tái)、天車及工作梯的質(zhì)量忽略不計(jì)。（）無風(fēng)載、無立根載荷等，井架大鉤載荷平均分配到井架頂

31、部四個(gè)節(jié)點(diǎn)。（）桿件各節(jié)點(diǎn)之間為剛性聯(lián)結(jié)。（）井架底座鉸支與地面為全約束。建立井架仿真模型纊。孟菸）軸測圖正視酬（）刪視圖（曲（砷（）圖型井架模示意削為了便于后文對節(jié)點(diǎn)號(hào)及單元號(hào)描述，列出井架主肢的節(jié)點(diǎn)及單元編號(hào)，如圖所示北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖井架主肢節(jié)點(diǎn)及單元號(hào)（帶括號(hào)數(shù)字為單元號(hào)，不帶括號(hào)數(shù)字為節(jié)點(diǎn)號(hào)）（耐，）筇章±傷缺陷顰青正分析技術(shù)仿真計(jì)算結(jié)果在最大載荷下，井架的變形圖如圖，應(yīng)力圖如圖，前個(gè)較大應(yīng)力的單元桿件如表。由表中數(shù)據(jù)可知最大應(yīng)力發(fā)生在井架上段與中上段連接處的、單元最大應(yīng)力值分別為和，材料屈服極限值為，井架在最大載荷下的安全系數(shù)為，井架工作安全可靠。次最大應(yīng)力發(fā)生在

32、、單元應(yīng)力值為和，安全系數(shù)為左右，井架工乍安全可靠。另外井架前部大腿靠近底座處主肢受力較大，屬于井架受力主要部位。（）前視（曲。囂÷÷）視酉井架加載后變形圖（虛線為變形前，實(shí)線為變形后）（腫自）（）下部（曲（中部）囝井絮各部位應(yīng)力云圖（）上部（）北京化大學(xué)碩。學(xué)位論文表無損傷缺陷井架應(yīng)力較大桿件（單位：）有限元建模與分析主體程序?yàn)榱撕罄m(xù)研究的方便，必須建立井架的參數(shù)化模型，通過編寫程序建立井架的參數(shù)化模型，能方便地修改井架相關(guān)參數(shù)從而達(dá)到更新模型的目的，這樣能大大節(jié)約建模時(shí)間，提高分析效率，這樣為后續(xù)的優(yōu)化分析奠定了基礎(chǔ)。型井架建模及分析主體的詳見附錄一。小結(jié)（）通過對無損

33、傷缺陷井架的有限元建模、分析，得知井架在受載情況下，井架段與段之間連接處應(yīng)力較大，應(yīng)予以特別關(guān)注，另外井架前部大腿靠近底座處主肢受力較大，屬于井架受力主要部位。（）建立了井架有限元分析的參數(shù)化程序，為后續(xù)研究中適時(shí)修改模型提供了便利，其中利用循環(huán)語句突出解決了由于井架單元桿及節(jié)點(diǎn)較多，建模復(fù)雜的問題，為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模提供了新的模式。第三章含損傷缺陷型井架有限元分析第三章含損傷缺陷型井架有限元分析井架在服役一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生局部桿件銹蝕彎曲，井架夭腿整體彎曲、支座沉降及載荷偏心等損傷缺陷。為準(zhǔn)確確定各類型損傷缺陷對井架整體應(yīng)力分布的影響規(guī)律，需要采取有效的缺陷仿真技術(shù)。為后文表述方便，將井架四個(gè)大

34、腿編號(hào)如圖所示。圖井架大腿編號(hào)順序圖鋤損傷缺陷模型的建立及程序?qū)崿F(xiàn)桿件局部銹蝕此類缺陷主要是由于井架長時(shí)間在野外工作造成的。該缺陷通過縮減桿件截面壁厚的方法實(shí)現(xiàn)，縮減量定義為一個(gè)縮減比例因子，并將其作為編程語句中變量。即定義井架桿件單元截面形式命令時(shí)，將其納入命令參數(shù)中，通過修改值，可實(shí)現(xiàn)桿件局部不同銹蝕量。井架大腿截面腐蝕如圖所示，其腐蝕量為砌，導(dǎo)致其橫截面積減少，圖中虛線為井架出廠時(shí)大腿截面輪廓線，實(shí)線為腐蝕后的輪廓線（假定井架大腿截面是均勻腐蝕）。圖井架大腿不同截面銹蝕示意圖：匕京化上學(xué)論針對桿件局部銹蝕，在程序里實(shí)現(xiàn)方法為定義火腿截面變化系數(shù)。定義大腿截面厚度吖、，參數(shù)化火腿截面桿件局

35、部彎曲該缺陷主要是由千在搬遷及其它原因所致。為方便處理，將桿件局部彎曲處理成圓弧，實(shí)現(xiàn)方法是利用命令將原桿件兩端點(diǎn)及彎曲半徑作為輸入?yún)?shù)，彎曲程度可用圓弧半徑控制，同時(shí)將彎睦桿件等分為個(gè)小桿件相連，材料性質(zhì)與單元類型與原桿件相同，用循環(huán)命令實(shí)現(xiàn)不同桿件不同彎曲量大大節(jié)省建模時(shí)間。如圖中中單元所示這樣的處理方式使得桿件發(fā)生局部彎曲之后盡可能使仿真模型擬舍出來的彎曲狀態(tài)與實(shí)際狀?yuàn)^吻合。圖井架局部軒件彎曲示意及仿真替代示意圖桿件局部彎曲在語言里實(shí)現(xiàn)方法是將彎曲桿件使用命令，使得單元桿件彎曲成一定弧度。井架整體彎曲第節(jié)古損傷聃陷型井架宵肥甜析由于井架在現(xiàn)場工作時(shí)頻繁加載、卸載，加之由于運(yùn)輸或者安裝過程

36、中磕碰等原因，導(dǎo)致大腿出現(xiàn)整體彎曲。井架作為一個(gè)整體受壓構(gòu)件，其彎曲形狀基本分為類，通過計(jì)算分析和現(xiàn)場實(shí)測，本文以呈圓弧形的彎曲形式進(jìn)行仿真計(jì)算。運(yùn)用編程建模時(shí)按照井架整體劃分段，且每段平均劃分為層，將各段首末兩層節(jié)點(diǎn)方向坐標(biāo)值設(shè)定為，中間層節(jié)點(diǎn)偏離方向坐標(biāo)為變量同時(shí)也是井架大腿各層彎曲的最大偏移量，中間層與首末層之間的節(jié)點(diǎn)偏離方向坐標(biāo)變量為。井架整體彎曲效果圖如圖所示：（）整體視圖（）局部視圖咖固一井架大腿整體彎曲效果圖：井架整體彎眭形式足根據(jù)無缺陷井架的仿真變形結(jié)果來確定，通過修改變形后大腿單元桿件節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)，其程序?qū)崿F(xiàn)程序如附錄二。支座沉降由于井架安裝誤差等原因井架底部兩個(gè)鉸支及人字架

37、不處于同水平位置，因此導(dǎo)致其整體出現(xiàn)支座沉降，此時(shí)井架所受鉤載為偏心載荷。依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，井架支座的沉降一般為左右沉降，因此運(yùn)用仿真時(shí)，僅考慮型井架的左右沉降。具體實(shí)現(xiàn)是定義一個(gè)偏移角度變量，讓井架繞旋轉(zhuǎn)軸左右旋轉(zhuǎn)角度，表示井架底部鉸支出現(xiàn)沉降。井架支座沉降如圖所示，設(shè)任意一節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（，），其繞原點(diǎn)偏移，偏移角度為（），偏移后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（，），其偏移前后的計(jì)算公式如下：北直化人學(xué)碗學(xué)位論女×（一口）×（），×（一）一（）、井架沉降效果如圖所示。圖井架支座沉降原理圖，一因蒜嘲圖主體程序詳見附錄蘭。因良國，井架支座沉降效果圍在程序語言里，通過定義一個(gè)偏轉(zhuǎn)變量，井

38、架所有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)均是這個(gè)變量的函數(shù)，通過調(diào)整變量的值即可實(shí)現(xiàn)井架不同角度的偏轉(zhuǎn)，也即沉降量的大小。各損傷缺陷對井架大腿受力的影響分析第三章含損傷缺陷型井架有限元分析型井架在載荷作用下，其最大受力部位為井架大腿，它的強(qiáng)度大小決定整個(gè)井架的承載能力。因此，在進(jìn)行含損傷缺陷井架模型仿真時(shí)只考慮各缺陷發(fā)生在井架大腿的情況。大腿桿件共分為個(gè)單元，在探究桿件受不同程度損傷時(shí)的應(yīng)力規(guī)律時(shí)，分析次數(shù)較多，因此對大腿每個(gè)桿件單元進(jìn)行局部缺陷仿真時(shí)，需要利用循環(huán)控制語句，同時(shí)系統(tǒng)循環(huán)重新建模，加載，分析等，并在一個(gè)循環(huán)結(jié)束后提取大腿各個(gè)單元應(yīng)力值，存入一個(gè)維數(shù)組。其中為大腿單元數(shù)，共循環(huán)次。由于型井架屬于左右對稱結(jié)

39、構(gòu)，因此只需仿真井架單側(cè)前后大腿桿件缺陷對應(yīng)力影響規(guī)律即可。同一損傷程度下，程序循環(huán)次數(shù)即為單側(cè)前后大腿桿件單元數(shù)。截面銹蝕缺陷對井架大腿受力的影響分析井架大腿發(fā)生局部桿件截面銹蝕，使得截面尺寸減小，必然引起大腿應(yīng)力發(fā)生變化，在此考察型井架應(yīng)力較大的前腿桿件，經(jīng)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，局部桿件銹蝕率分別為、時(shí)，該桿件自身應(yīng)力增大，但不會(huì)對其他桿件及井架整體應(yīng)力產(chǎn)生明顯影響。隨著銹蝕率增大，同一個(gè)桿件單元應(yīng)力隨之增大，以號(hào)大腿上段受載較大的號(hào)單元桿件為例，在同一載荷下，桿件截面銹蝕率為，、時(shí)應(yīng)力變化如圖所示，基本成線性規(guī)律。盤翅恨番桿件單元銹蝕率，圖號(hào)單元不同銹蝕率下應(yīng)力變化趨勢電局部桿件彎曲缺陷對井架大腿受力的影響分析假設(shè)井架局部桿件朝井架開口方向彎曲，即朝模型中的軸方向彎曲。彎曲撓度為，彎曲量每隔遞增，編寫循環(huán)建模、求解程序，將計(jì)算結(jié)果保存成結(jié)果文件，實(shí)現(xiàn)局部桿件彎曲缺陷仿真。井架模型大腿共分為個(gè)單元，彎曲桿件細(xì)分為個(gè)單元，因此，仿真結(jié)果文件里存在個(gè)單元的數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，需注意桿件彎曲，結(jié)果文件里單元號(hào)為，的單元對應(yīng)彎曲前的號(hào)單元。經(jīng)分析計(jì)算得知，井架局