考虑局部细节特征的钻机井架多尺度模拟研究
本文选题:钻机井架 + 多尺度有限元 ; 参考:《东北石油大学》2017年硕士论文
【摘要】:钻机井架作为完成钻井任务的重要工具,其安全性能对整个钻机系统都具有十分重要的意义。以往对钻机井架的计算都是基于梁单元的线性模型,这种模型由于过多的简化使得分析结果比较局限、较表面化,很难反映某些关键部位的节点破坏、法兰接触等问题,无法全面有效的进行分析,为此本文在考虑钻机井架局部细节问题的基础上建立结构多尺度模型进行其承载性能的分析,主要研究内容和成果如下:首先,基于多尺度有限元理论提出了钻机井架多尺度模型的建模策略。应用MPC多点约束法建立钻机井架多尺度模型,其中井架整体采用传统的“大尺度”梁单元,局部细节采用“小尺度”实体单元,利用MPC接触向导解决了界面连接问题,实现了跨尺度之间力的有效传递。同时,并对同一工况下钻机井架全梁模型与多尺度模型进行了对比验证,结果表明了该多尺度方法应用在钻机井架上的可行性。以ZJ70DB钻机井架实验室模型为研究对象进行多尺度模型试验研究。采用两种不同的传感元件,进行两种不同的测试方案设计和测点布置,分别进行了全梁模型试验与多尺度模型试验,对测试结果进行对比分析,分析结果表明多尺度模型试验更为全面地反映局部细节的应力分布情况,由此确定了多尺度模型的必要性。基于钻机井架多尺度模型的可行性和必要性,选取钻机井架的“TK”节点区域、销轴连接结构、底部大支座结构这三个典型位置进行局部细节的多尺度模拟分析。并针对“TK”局部位置,对杆件初弯曲和立柱穿孔两种损伤形式其进行多尺度损伤模拟,证明了多尺度模型能够反映应力在局部小尺度范围内的变化梯度。基于上述理论,将钻机井架的多尺度模拟进行工程应用。根据现场7000米钻机井架的静载试验数据,对全梁模型进行修正,建立基准数值模型,在此基础上建立钻机井架多尺度模型。根据载荷工况设计标准,对工作工况和预期风暴两种情况进行了钻机井架多尺度分析,重点考虑了背面和侧面两种不同风向方向,并分别对位移、轴力、弯矩、强度应力等几个参数做了对比分析,分析结果详细反映局部杆件在工况载荷下的应力分布情况,从而实现了多尺度模拟方法在钻机井架承载性能中的推广应用。
[Abstract]:As an important tool to complete the drilling task, the safety performance of the Derrick Derrick is very important to the whole drilling rig system.In the past, the calculation of Derrick Derrick was based on the linear model of beam element. Due to too many simplifications, the analysis results were limited and superficial, so it was difficult to reflect the problems of joint failure and flange contact in some key parts.Therefore, this paper establishes a multi-scale structure model based on the local details of rig Derrick to analyze its bearing capacity. The main research contents and results are as follows: first of all,Based on the multi-scale finite element theory, the modeling strategy of multi-scale model of rig Derrick is proposed.The multi-scale model of Derrick Derrick is established by using MPC multi-point constraint method, in which the traditional "large scale" beam element is used as the whole Derrick, the "small scale" entity element is used in the local details, and the interface connection problem is solved by using the MPC contact guide.The effective transfer of forces across scales is realized.At the same time, the whole beam model of the rig Derrick under the same working condition is compared with the multi-scale model, and the results show that the multi-scale method is feasible to be applied to the Derrick Derrick.The multi-scale model test of ZJ70DB rig Derrick laboratory model was carried out.Two kinds of sensor elements are used to design two different test schemes and test points. The whole beam model test and multi-scale model test are carried out, and the test results are compared and analyzed.The results show that the stress distribution of local details is more fully reflected in the multi-scale model test, and the necessity of the multi-scale model is determined.Based on the feasibility and necessity of the multi-scale model of rig Derrick, this paper selects the "TK" node area of Derrick Derrick, the connection structure of pin shaft and the structure of large base support to carry out the multi-scale simulation analysis of local details.According to the local location of "TK", the multi-scale damage simulation is carried out for the initial bending of the bar and the perforation of the column. It is proved that the multi-scale model can reflect the variation gradient of the stress in the local small scale range.Based on the above theory, the multi-scale simulation of rig Derrick is applied in engineering.According to the static load test data of 7000 meters rig Derrick, the whole beam model is modified, and the benchmark numerical model is established. On this basis, the multi-scale model of drilling rig Derrick is established.According to the design standard of load condition, the multi-scale analysis of rig Derrick is carried out under the working condition and the expected storm condition, and two different wind directions on the back and side are considered, and the displacement, axial force and bending moment are respectively considered.Several parameters, such as strength stress, are compared and analyzed, and the results reflect the stress distribution of the local members under the working load in detail. Thus, the application of the multi-scale simulation method to the load bearing performance of the Derrick Derrick is realized.
【学位授予单位】:东北石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TE923
【参考文献】
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,本文编号:1756002
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