考虑节点半刚性的石油井架钢结构疲劳寿命研究

发布时间：2017-08-30 08:09

  本文关键词：考虑节点半刚性的石油井架钢结构疲劳寿命研究

  更多相关文章： 半刚性 井架 钢结构 有限元 疲劳 寿命

【摘要】：石油钻机井架是大型钢架结构,杆件多、受力复杂,是在石油钻井过程中为整个石油钻机系统提供支撑和保护的支护结构,一旦发生结构破坏、倾覆,后果不堪设想。井架长期服役过程中,承受自重等恒载作用的同时,还要承受工作时交变载荷作用,在这些复杂载荷的作用下,结构的内部应力不断交替变化,极易导致井架结构发生疲劳破坏。井架的梁柱连接节点作为传递弯矩、剪力、轴力以及扭矩的重要枢纽部分,是发生疲劳破坏的危险区域,其连接方式及连接性能直接影响到连接节点的疲劳性能,而对石油井架进行研究分析时,传统上的研究常常将各杆件间的连接视为完全刚接,这并不符合井架实际情况,势必使得计算结果产生误差。本文充分考虑连接节点的半刚性特征,针对石油井架大型钢结构疲劳寿命问题展开系统研究。根据石油钻机井架实际工况,系统阐述了石油井架钢结构疲劳理论,确定了石油井架的疲劳类型为机械高周振动疲劳,并运用安全寿命设计方法来对井架进行疲劳分析,使用名义应力法对井架的疲劳寿命进行估算;在系统阐述半刚性连接特性的基础上建立数学模型,提出了节点半刚性弯矩-转角特性的主要研究方法。分别使用转动弹簧单元法和计算组件法结合井架连接特点对井架半刚性节点的刚度进行了推导计算,分析说明:运用独立弹簧单元法来模拟整体结构中连接节点的半刚性比较适宜。以JJ315/45-K型石油钻机井架为例,建立井架梁柱节点模型,对其弯矩-转角特性进行了模拟,得到弯矩-转角关系曲线;通过改变节点处梁柱截面厚度、高度尺寸和材料类型系统研究节点刚度、极限弯矩以及极限承载力的相互影响关系。结果表明:梁翼缘厚度、梁翼缘高度以及材料特性对节点转动性能影响较大,而柱翼缘厚度、柱腹板厚度对节点转动性能影响较小。对考虑半刚性连接的井架疲劳寿命进行理论计算,将计算结果与同等条件下刚性连接计算结果进行对比,说明运用半刚性节点处理井架钢结构节点连接并进行疲劳分析,其计算结果更符合实际。同时,运用有限元仿真方法对半刚性节点特征的石油井架进行疲劳寿命计算,与半刚性理论计算结果一致。研究表明,现有的疲劳理论对于大型钢结构半刚性连接的疲劳分析同样适用,同时说明在研究井架结构疲劳寿命问题时节点连接的半刚性特征不容忽视。基于节点半刚性的疲劳理论研究,对于石油井架等大型钢结构承载力和寿命问题研究,有重要的理论意义和应用价值。
【关键词】：半刚性 井架 钢结构 有限元 疲劳 寿命
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE923
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究的背景和意义9-10
• 1.2 半刚性连接的国内外研究现状10-13
• 1.2.1 半刚性连接国外研究概况10-12
• 1.2.2 半刚性连接国内研究概况12-13
• 1.3 疲劳寿命预测方法研究进展13-15
• 1.3.1 疲劳破坏问题研究概况13-14
• 1.3.2 疲劳寿命研究方法概况14-15
• 1.4 考虑节点半刚性进行石油井架疲劳寿命研究的必要性15
• 1.5 本文主要研究内容15-17
• 第二章 石油井架疲劳寿命及半刚性连接特性理论研究17-31
• 2.1 石油钻机井架的疲劳强度17-20
• 2.1.1 材料的疲劳17
• 2.1.2 石油钻机井架疲劳类型17-18
• 2.1.3 石油钻机井架的疲劳分析方法18-20
• 2.2 石油钻机井架疲劳寿命估算方法确定20-23
• 2.2.1 名义应力法20
• 2.2.2 疲劳寿命曲线20-22
• 2.2.3 疲劳累积损伤理论22-23
• 2.3 钢结构半刚性连接的特性及数学模型23-30
• 2.3.1 半刚性连接的特性23-25
• 2.3.2 半刚性节点弯矩-转角特性研究方法25-27
• 2.3.3 半刚性节点弯矩-转角特性数学模型27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 石油井架钢结构半刚性连接特性研究31-56
• 3.1 石油井架钢结构节点半刚性的模拟31-42
• 3.1.1 井架钢结构节点半刚性的模拟31-42
• 3.2 石油井架半刚性连接节点的弯矩-转角特性分析42-55
• 3.2.1 JJ315/45-K梁柱连接节点的几何尺寸42-43
• 3.2.2 创建模型43-44
• 3.2.3 设置求解控制参数44
• 3.2.4 加载求解、查看结果44-45
• 3.2.5 绘制弯矩-转角曲线45-47
• 3.2.6 影响节点转动性能的因素47-55
• 3.3 本章小结55-56
• 第四章 石油钻机井架梁柱半刚性连接的疲劳寿命分析56-73
• 4.1 疲劳强度计算法56-59
• 4.1.1 疲劳计算的允许应力幅法56-57
• 4.1.2 钻机载荷谱及等效应力幅系数57-59
• 4.1.3 石油钻机井架的疲劳寿命计算方法59
• 4.2. 石油钻机井架整体的静力计算59-63
• 4.2.1 井架有限元模型的建立60-61
• 4.2.2 井架静力计算结果61-63
• 4.3. JJ315/45-K型井架的疲劳寿命计算分析63-66
• 4.4 基于Ncode Designlife软件半刚性连接井架的疲劳寿命分析66-72
• 4.4.1 S－N曲线建立及修正67-68
• 4.4.2 载荷谱编制68-69
• 4.4.3 疲劳计算模型的建立69-70
• 4.4.4 疲劳分析结果及处理70-72
• 4.5 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-80

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本文编号：758162