指向式导向工具主轴力学分析与仿真

发布时间：2017-06-16 03:01

  本文关键词：指向式导向工具主轴力学分析与仿真，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着油气勘探开发难度不断加大,尤其是近年来非常规气田的开发,定向钻井技术成为钻井主流技术。指向式导向工具作为一种无极可调井眼轨迹控制工具,能有效节约钻井时间,提高钻井效率。工具主轴的力学行为关系到井眼轨迹的设计控制、钻井参数的优选和工具结构的优化。因此,对指向式导向工具主轴进行力学分析与仿真具有重要意义。本文以指向式导向工具为研究对象,结合钻柱力学与有限元基础理论,对指向式导向工具主轴进行简化与建模。基于纵横弯曲法,建立主轴静力学模型,研究主轴变形和钻头偏转角与外壳刚度、主轴刚度以及工具结构参数的关系,采用多目标优化方法,对指向式导向工具主轴结构参数进行优化分析。基于有限元法,建立主轴动力学仿真模型,分析偏心环动位移载荷、钻压、扭矩和涡动等因素对主轴力学行为的影响。结合模态分析理论,分析指向式导向工具主轴的临界转速。最后结合疲劳寿命理论,对工具主轴进行疲劳寿命研究。总结本文的研究工作,主要包括以下几个方面：(1)总结了指向式导向工具主轴力学的研究现状与本文的研究目的及意义,提出了理论研究和有限元相结合的研究方法。(2)介绍了指向式导向工具基本结构及工作原理,建立了指向式导向工具主轴静力学模型,并对主轴参数进行了力学优化分析。(3)建立了指向式导向工具主轴动力学模型,结合有限单元法分析了偏置机构位移载荷、钻压、扭矩和涡动等因素对主轴力学行为的影响；基于模态分析基本理论,得出主轴的临界转速。(4)最后,采用三维实体单元对指向式导向工具主轴进行建模,开展了指向式导向工具主轴井下工况的疲劳寿命研究。结合本文的研究内容,主要获得以下研究成果：(1)建立了考虑外壳刚度下主轴静力学模型,推导出了主轴在静态偏置状态下的挠度方程、转角方程以及轴承处的约束反力方程。基于静力学模型,研究了工具结构参数对轴承处约束反力、偏心环约束反力及上支撑轴承弯矩载荷的影响,以上悬臂轴承弯矩载荷以及偏心机构偏置力最小为目标函数对指向式导向工具主轴结构参数进行了优化。基于优化结果,得到了上支撑轴承、偏置机构、偏置机构安装位置以及主轴长度在不同情况下的匹配方案。(2)结合弹性动力学理论,采用Hamilton方法推导出了导向工具主轴的振动方程。从方程中可以看出主轴在横向力及扭矩作用下的振动机理,其振动形式具有耦合性。采用有限元方法将指向式工具主轴在时间和空间上进行有限分割,建立了主轴的质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵,阐述了基于有限元方法研究指向式导向工具主轴动力学的求解机理；对偏置机构进行了几何分析,得出了内外偏心环转角与偏置机构合位移间的关系,给出了有限元仿真分析的几何边界条件；借助于有限元软件对指向式导向工具主轴进行仿真研究,并通过室内模拟结果与仿真结果的对比,验证了仿真数据的正确性。仿真结果显示,钻压及主轴转速对主轴力学行为的影响较小,偏心位移对主轴力学行为的影响较大,并呈线性增加趋势。(3)基于弹性力学基本理论与结构动力基本方法,对结构自由振动的特征值问题进行了研究,得出了在零阻尼及无外载条件下的自由振动方程。基于ANSYS软件,采用BEAM188空间梁单元对主轴进行了建模,对上下支撑轴承采用COMBI214单元进行了简化,计算结果显示导向工具主轴的一阶固有频率为19.074HZ,其振动型式主要表现为一阶横向振动。结合模态分析结果,得出了指向式导向工具主轴的临界转速是1144.44 r/min,与指向式导向工具主轴的设计转动速度200 r/min相差较大,可以充分避免共振的产生,验证了主轴工作的安全性。(4)结合ANSYS的静力学与疲劳模块对指向式导向工具主轴进行了仿真研究,采用Goodman理论对计算模型进行了修正,仿真结果显示：主轴最大交变应力产生于下调心轴承处,最大值为272.8 MPa,基于材料的S-N曲线插值得出了主轴的交变应力循环次数为107,满足设计需求。本文的研究成果为指向式导向工具的动态设计及动态模拟仿真提供了理论模型,对井眼轨迹的设计控制、钻井参数的优选和工具结构的优化具有导向作用。
【关键词】：指向式导向工具 主轴 力学模型 仿真
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE92
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题来源11
• 1.2 研究背景及意义11-12
• 1.3 导向工具主轴力学国内外研究现状12-15
• 1.4 本文主要研究内容15-16
• 1.5 研究途径及技术路线16-17
• 第2章 指向式导向工具主轴静力学研究17-29
• 2.1 指向式导向工具基本结构与导向原理17
• 2.2 指向式导向工具主轴静力学模型17-18
• 2.3 指向导向工具主轴静力学方程的建立及求解18-24
• 2.4 指向式导向工具主轴力学优化分析24-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 指向式导向工具主轴动力学研究29-54
• 3.1 指向式导向工具主轴动力学模型29-34
• 3.2 动力学有限元理论34-42
• 3.3 指向式导向工具主轴动力学有限元分析42-50
• 3.4 指向式导向工具主轴力学行为影响因素分析50-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 指向式导向工具主轴临界转速研究54-68
• 4.1 模态分析基本理论54-60
• 4.2 指向式导向工具主轴模态分析60-66
• 4.3 指向式导向工具主轴临界转速分析66-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第5章 指向式导向工具主轴疲劳寿命研究68-80
• 5.1 疲劳寿命预测方法68-72
• 5.2 疲劳寿命分析理论72-75
• 5.3 指向式导向工具主轴疲劳寿命分析75-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第6章 总结与展望80-82
• 6.1 全文总结80-81
• 6.2 展望81-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-87
• 个人简介87-88

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