本文選題：深井鉆機　切入點：動力特性　出處：《長江大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：ZJ70D鉆機作為石油勘探、開發(fā)的大型工程設備,主要承載部分為井架和底座,其實質為空間框架結構。鉆機的靜、動態(tài)特性極大影響著鉆井作業(yè)效率及結構安全。本文根據鉆機各部分的結構特點及空間位置關系,在有限元軟件中簡化并抽象為幾何模型,以此建立了鉆機整體的有限元模型。首先,根據API標準要求進行了靜力學分析,在極限載荷下結構的峰值應力均在安全范圍以內,結構靜強度滿足要求。其次,分析了鉆機基座在不同約束剛度下結構整體的模態(tài)特性。分析表明,約束剛度對前3階頻率影響較小,與全剛性約束相比相對變化在10%以內;第4階至第7階的頻率變化最為顯著,相對變化率均在30%以上;從模態(tài)振型可知井架易發(fā)生前后方向與側向的振動,在高度方向及扭轉振動并不明顯,基座約束剛度改變時鉆機的模態(tài)振型亦有較大變化。在基座約束剛度足夠時,可分別建立井架和底座的簡化模型,在合理的誤差范圍內將大幅降低計算成本和建模難度�；募s束剛度對整體的模態(tài)特性有極大影響,數值計算應結合鉆井現場實際情況。在模態(tài)分析的基礎上,進行了動力學響應分析。當結構受到來自橫向以及側向的正弦激勵時,其振動均在底座部分的共振頻率附近最劇烈。諧響應分析很好的驗證了結構的共振效應,在z向激勵時峰值點頻率為5.525Hz,在x向激勵時峰值頻率為8.075Hz,分別對應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,振動變形形式與井架承受靜載時類似,沖擊后的井架的自由振動以前后方向的振動為主,自由振動中第1階模態(tài)占主導。最后,基于相似理論分析了模型與原型之間的相似準則,采用量綱分析以及解析式方法推導了與模型設計相關的相似判據,以此為依據設計制作了縮尺比為1:10的鉆機井架及底座動力模型。應用沖擊激勵法對模型井架部分進行了模態(tài)測試。通過對比數值計算與模型測試結果可知,前5階模態(tài)頻率的相對誤差均在10%以內且振型曲線大致相同。在基座全剛性約束時,簡化的有限元數學模型能有效反映結構在低頻段的頻率與振型曲線特性,同時也驗證了模型有效性。測試與仿真結果均表明,前3階固有頻率在轉盤工作頻率附近,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.
【學位授予單位】：長江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE923

【相似文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

1 張玉英,丁旭莊;Π型井架的優(yōu)點及推廣[J];石油礦場機械;2001年S1期

2 胡雄心;劉孔忠;成志強;江會勇;;23-1 K型井架的模擬與分析[J];科技資訊;2011年06期

3 張嗣偉;;井架總體穩(wěn)定的實用計算法[J];石油鉆采機械通訊;1974年02期

4 王惠德;周國強;;用概率方法確定井架安全度[J];石油礦場機械;1987年03期

5 強衛(wèi)東;張蕾;王文;李小軍;;在用井架測試及安全評價研究[J];新疆石油科技;1993年04期

6 蔡迎建，，徐闖，艾萬榮，王榮春;在用井架的壽命估計[J];石油機械;1995年01期

7 張愛林，王惠德，田汝珉，王光遠;服役井架結構的雙重非線性分析[J];石油學報;1996年02期

8 王明勤,李靜;主井架的糾偏措施[J];礦山機械;2001年11期

9 周國強,劉金梅;在用井架計算機模擬試驗[J];石油機械;2001年01期

10 江聲述;生產鑿井兩用落地多繩提升井架設計[J];特種結構;2001年01期

中國重要會議論文全文數據庫 前10條

1 馬成剛;劉敏珊;王義翠;;井架結構隨機地震反應分析[A];2009年石油裝備學術研討會論文專輯[C];2009年

2 陳宏;方金松;李海波;;平煤集團十三礦主井鋼井架的設計與施工[A];鋼結構工程研究（三）——中國鋼結構協會結構穩(wěn)定與疲勞分會2000年學術交流會論文集[C];2000年

3 徐軍;吳文秀;池勝高;陳瑾旭;;新型直立套裝自升式井架的研制[A];2006年石油裝備學術研討會論文集[C];2006年

4 王聯偉;張宏;;基于局部頻率法的井架損傷定位研究[A];2006年石油裝備學術研討會論文集[C];2006年

5 張振宇;張纓;劉慶雪;;雙側提升鋼井架結構設計探析[A];中國煤炭學會煤礦建筑工程專業(yè)委員會2012年優(yōu)秀論文匯編[C];2012年

6 王在泉;張省軍;王廣云;楊維好;;基礎沉降引起井架偏斜的分析預測與糾偏控制[A];全國巖土與工程學術大會論文集（下冊）[C];2003年

7 李軒;王元清;施剛;石永久;;鉆井井架鋼結構的承載性能研究綜述[A];第五屆全國現代結構工程學術研討會論文集[C];2005年

8 邵仲梅;;利用永久井架鑿井的幾種方式[A];全國礦山建設學術會議論文選集（下冊）[C];2004年

9 趙猛;尤文徐;;劉塘坊鐵礦鋼結構井架吊車與穩(wěn)車配合吊裝工藝[A];煤礦機電一體化新技術創(chuàng)新與發(fā)展2012學術年會論文集[C];2012年

10 邵仲梅;;利用永久井架鑿井的幾種方式[A];全國礦山建設學術會議論文選集（上冊）[C];2003年

中國重要報紙全文數據庫 前3條

1 特約記者 黃振華;遼河油田垂直起升門式結構井架獲美國專利[N];中國石油報;2010年

2 鄭水平;遼河油田井架技術獲美專利[N];中國工業(yè)報;2010年

3 本報記者 仇國強;狹路相逢勇者勝[N];中國石化報;2001年

中國博士學位論文全文數據庫 前3條

1 鄒龍慶;石油鉆機井架動態(tài)響應分析[D];哈爾濱工程大學;2006年

2 劉金梅;在役鉆機井架使用安全性綜合評價方法研究[D];東北石油大學;2012年

3 韓東穎;基于損傷識別和模型修正的井架鋼結構評定方法及應用[D];燕山大學;2008年

中國碩士學位論文全文數據庫 前10條

1 趙慶梅;石油井架的動態(tài)測試研究[D];大慶石油學院;2006年

2 劉雪梅;在用井架使用可靠性研究[D];四川大學;2006年

3 吳畏;石油井架靈敏度分析及其在傳感器優(yōu)化布置中的應用[D];燕山大學;2015年

4 羅根;基于多評判指標優(yōu)選的石油井架安全評估[D];燕山大學;2015年

5 楊瓊華;HJJ680/52T井架和滑移底座設計及分析計算[D];西南交通大學;2015年

6 盛慧春;雙塔井架制造工藝分析[D];上海交通大學;2015年

7 蔣豪斌;海洋鉆井平臺井架結構強度分析[D];上海交通大學;2014年

8 祖立佳;波浪載荷作用下海洋井架動力特性分析[D];東北石油大學;2015年

9 李戰(zhàn)省;JJ170/42.5-K型石油井架結構強度分析[D];東北石油大學;2015年

10 向小榮;ZJ50DB模塊化鉆機井架設計與研究[D];西安石油大學;2015年

本文編號：1632676