直井抽油杆柱屈曲与横向振动仿真研究

发布时间：2020-05-12 09:13

【摘要】：抽油杆柱在有杆抽油系统中是非常重要的构件之一,它是否能正常工作直接关系到机械采油的经济效益。当抽油杆柱在直井中做上下往复直线运动时,抽油杆由于受到油管的约束与各类环境载荷的影响而发生弯曲变形,发生过大侧向变形的杆柱段与油管相接触,从而致使杆管偏磨,以致缩短了抽油杆柱的使用寿命,在环境条件极其恶劣的工况下很可能造成抽油杆柱的断脱事件。基于上述原因,研究井眼中受油管约束的抽油杆柱在环境荷载下的受力的状况和变形的规律、精确预测抽油杆柱与油管的接触区域和接触压力对于有杆抽油系统中抽油杆柱的防偏磨设计有十分重要的意义。本文以直井抽油杆柱横向振的动动力响应与杆管偏磨研究为中心,主要进行了以下三方面的研究:(1)建立了抽油杆柱平面静力屈曲的数值力学模型和数学模型,并完善了抽油杆柱屈曲构型的仿真算法。具体内容包括:考虑泵端液体载荷与泵筒内工作压力,建立了具有均匀轴向分布力的抽油杆的平面屈曲仿真模型;考虑抽油杆柱的实际工况,建立了求解抽油杆柱屈曲构型的差分方程和有限元方程。(2)研究了抽油杆柱平面动力屈曲的力学模型和数学模型,并应用求解抽油杆柱的动态特性的方法求解抽油杆柱动力屈曲构型;应用Flouent理论和摄动理论分别求解了抽油杆柱的动力稳定区域与临界频率,为进一步研究抽油杆柱在环境载荷下的动力响应奠定了基础。(3)应用有限差分法和有限元法求解抽油杆柱在初始屈曲激励、各类环境荷载作用和油管约束下抽油杆柱的横向振动的动力响应,确定了杆管偏磨的接触区域,为进一步抽油机井的防偏磨设计奠定了基础。
【图文】：

抽油杆柱,有限元,差分,节点

燕山大学工学硕士学位论文表 2-1 钢制抽油杆的机械性度)屈服强度(MPa)伸长率200mm(%5 ≥415 ≥13 5 ≥415 ≥13 5 ≥590 ≥10 5 ≥590 ≥10 95 ≥795 ≥10 95 ─ ─ 界荷载和屈曲构型的向分布力抽油杆柱的平元节点分布图，如图 2-

分析图,荷载分析,轴向分布,梁单元

图 2-5 具有轴向分布力的梁单元的荷载分析和位移分析图 2-5 所示的是本文所讨论的具有轴向分布力的梁单元，，其端部的节点 1 2 在剪力、弯矩、轴力和轴向分布力的作用下，将发生平移和转动。因此，图的每个节点都有两个自由度。图 2-5 中所示的单元的长度为 L，抗弯刚度为 EI，并承受一个轴向分布力的（单位长度的力）。对于这个梁单元，它的静力弯曲平衡方程为式(2-24)。假的连续变量用 y 表示，借助形函数 N 用离散位移节点1y 、θ1、2y 、θ2表示的结果如式(2-39)所示。 111 2 3 422yy N N N Ny （2-3 2 3131N ( L 3 Lx +2 x)L ；
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE933.2

【参考文献】