ZJ70D钻机井架及底座动力特性研究

发布时间：2018-03-19 03:34

  本文选题：深井钻机　切入点：动力特性　出处：《长江大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：ZJ70D钻机作为石油勘探、开发的大型工程设备,主要承载部分为井架和底座,其实质为空间框架结构。钻机的静、动态特性极大影响着钻井作业效率及结构安全。本文根据钻机各部分的结构特点及空间位置关系,在有限元软件中简化并抽象为几何模型,以此建立了钻机整体的有限元模型。首先,根据API标准要求进行了静力学分析,在极限载荷下结构的峰值应力均在安全范围以内,结构静强度满足要求。其次,分析了钻机基座在不同约束刚度下结构整体的模态特性。分析表明,约束刚度对前3阶频率影响较小,与全刚性约束相比相对变化在10%以内;第4阶至第7阶的频率变化最为显著,相对变化率均在30%以上;从模态振型可知井架易发生前后方向与侧向的振动,在高度方向及扭转振动并不明显,基座约束刚度改变时钻机的模态振型亦有较大变化。在基座约束刚度足够时,可分别建立井架和底座的简化模型,在合理的误差范围内将大幅降低计算成本和建模难度。基座的约束刚度对整体的模态特性有极大影响,数值计算应结合钻井现场实际情况。在模态分析的基础上,进行了动力学响应分析。当结构受到来自横向以及侧向的正弦激励时,其振动均在底座部分的共振频率附近最剧烈。谐响应分析很好的验证了结构的共振效应,在z向激励时峰值点频率为5.525Hz,在x向激励时峰值频率为8.075Hz,分别对应着底座的前两阶模态频率。在受到井架顶部的瞬态冲击时,振动变形形式与井架承受静载时类似,冲击后的井架的自由振动以前后方向的振动为主,自由振动中第1阶模态占主导。最后,基于相似理论分析了模型与原型之间的相似准则,采用量纲分析以及解析式方法推导了与模型设计相关的相似判据,以此为依据设计制作了缩尺比为1:10的钻机井架及底座动力模型。应用冲击激励法对模型井架部分进行了模态测试。通过对比数值计算与模型测试结果可知,前5阶模态频率的相对误差均在10%以内且振型曲线大致相同。在基座全刚性约束时,简化的有限元数学模型能有效反映结构在低频段的频率与振型曲线特性,同时也验证了模型有效性。测试与仿真结果均表明,前3阶固有频率在转盘工作频率附近,4、5阶模态频率则与减速箱输出轴接近,井架的低阶共振容易被激发。
[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.
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE923

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本文编号：1632676