本文選題：深井鉆機(jī)　切入點(diǎn)：動(dòng)力特性　出處：《長(zhǎng)江大學(xué)》2017年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：ZJ70D鉆機(jī)作為石油勘探、開(kāi)發(fā)的大型工程設(shè)備,主要承載部分為井架和底座,其實(shí)質(zhì)為空間框架結(jié)構(gòu)。鉆機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性極大影響著鉆井作業(yè)效率及結(jié)構(gòu)安全。本文根據(jù)鉆機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及空間位置關(guān)系,在有限元軟件中簡(jiǎn)化并抽象為幾何模型,以此建立了鉆機(jī)整體的有限元模型。首先,根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了靜力學(xué)分析,在極限載荷下結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力均在安全范圍以?xún)?nèi),結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足要求。其次,分析了鉆機(jī)基座在不同約束剛度下結(jié)構(gòu)整體的模態(tài)特性。分析表明,約束剛度對(duì)前3階頻率影響較小,與全剛性約束相比相對(duì)變化在10%以?xún)?nèi);第4階至第7階的頻率變化最為顯著,相對(duì)變化率均在30%以上;從模態(tài)振型可知井架易發(fā)生前后方向與側(cè)向的振動(dòng),在高度方向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并不明顯,基座約束剛度改變時(shí)鉆機(jī)的模態(tài)振型亦有較大變化。在基座約束剛度足夠時(shí),可分別建立井架和底座的簡(jiǎn)化模型,在合理的誤差范圍內(nèi)將大幅降低計(jì)算成本和建模難度�；募s束剛度對(duì)整體的模態(tài)特性有極大影響,數(shù)值計(jì)算應(yīng)結(jié)合鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到來(lái)自橫向以及側(cè)向的正弦激勵(lì)時(shí),其振動(dòng)均在底座部分的共振頻率附近最劇烈。諧響應(yīng)分析很好的驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng),在z向激勵(lì)時(shí)峰值點(diǎn)頻率為5.525Hz,在x向激勵(lì)時(shí)峰值頻率為8.075Hz,分別對(duì)應(yīng)著底座的前兩階模態(tài)頻率。在受到井架頂部的瞬態(tài)沖擊時(shí),振動(dòng)變形形式與井架承受靜載時(shí)類(lèi)似,沖擊后的井架的自由振動(dòng)以前后方向的振動(dòng)為主,自由振動(dòng)中第1階模態(tài)占主導(dǎo)。最后,基于相似理論分析了模型與原型之間的相似準(zhǔn)則,采用量綱分析以及解析式方法推導(dǎo)了與模型設(shè)計(jì)相關(guān)的相似判據(jù),以此為依據(jù)設(shè)計(jì)制作了縮尺比為1:10的鉆機(jī)井架及底座動(dòng)力模型。應(yīng)用沖擊激勵(lì)法對(duì)模型井架部分進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試。通過(guò)對(duì)比數(shù)值計(jì)算與模型測(cè)試結(jié)果可知,前5階模態(tài)頻率的相對(duì)誤差均在10%以?xún)?nèi)且振型曲線大致相同。在基座全剛性約束時(shí),簡(jiǎn)化的有限元數(shù)學(xué)模型能有效反映結(jié)構(gòu)在低頻段的頻率與振型曲線特性,同時(shí)也驗(yàn)證了模型有效性。測(cè)試與仿真結(jié)果均表明,前3階固有頻率在轉(zhuǎn)盤(pán)工作頻率附近,4、5階模態(tài)頻率則與減速箱輸出軸接近,井架的低階共振容易被激發(fā)。
[Abstract]:As a large-scale engineering equipment for petroleum exploration and development, ZJ70D rig mainly carries Derrick and pedestal, which is essentially a spatial frame structure. Dynamic characteristics greatly affect drilling efficiency and structural safety. According to the structural characteristics and spatial position relationship of various parts of drilling rig, this paper simplifies and abstracts the geometric model in finite element software. The finite element model of drilling rig is established. Firstly, according to the requirements of API standard, static analysis is carried out. Under the limit load, the peak stress of the structure is within the safe range, and the static strength of the structure meets the requirements. The modal characteristics of the whole structure under different restraint stiffness are analyzed. The analysis shows that the restrained stiffness has little effect on the first three order frequencies, and the relative change is less than 10% compared with the full rigid constraint. The frequency of the fourth to seventh order has the most obvious change, the relative change rate is above 30%, and the vibration in front and back direction and side direction of Derrick is easy to occur from the mode mode mode, the vibration in height direction and torsional direction is not obvious. The modal mode of drilling rig also changes with the change of the pedestal restraint stiffness. When the pedestal restraint stiffness is sufficient, the simplified model of Derrick and base can be established respectively. The calculation cost and modeling difficulty will be greatly reduced within a reasonable error range. The restrained stiffness of the base has a great influence on the overall modal characteristics. The numerical calculation should be combined with the actual conditions of the drilling site, and on the basis of modal analysis, Dynamic response analysis is carried out. When the structure is subjected to transverse and lateral sinusoidal excitation, the vibration is most intense near the resonance frequency of the base. The resonance effect of the structure is well verified by the harmonic response analysis. The peak frequency is 5.525Hz in z direction and 8.075Hz in x direction, respectively corresponding to the first two modal frequencies of the base. The vibration deformation is similar to that of the Derrick subjected to static load when it is subjected to transient shock at the top of the Derrick. The vibration before and after the free vibration of the shock Derrick is dominant, and the first mode dominates the free vibration. Finally, the similarity criterion between the model and the prototype is analyzed based on the similarity theory. The similarity criteria related to the design of the model are derived by dimensional analysis and analytical method. Based on this, the dynamic model of rig Derrick and its base with a scale ratio of 1:10 is designed and made. The modal test of the Derrick part of the model is carried out by using the shock excitation method. By comparing the results of numerical calculation and model test, it can be seen that, The relative errors of the first five modal frequencies are within 10% and the mode curves are approximately the same. The simplified finite element mathematical model can effectively reflect the characteristics of the frequency and mode curves of the structure at low frequency when the base is fully rigid. At the same time, the validity of the model is verified. The test and simulation results show that the first three natural frequencies are close to the output shaft of the reducer and the low order resonance of the Derrick is easy to be excited.
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TE923

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本文編號(hào)：1632676