新型结构建模在井架底座有限元分析中的应用

2012-10-19西安石油大学机械工程学院王文涛孟阳杨王文娟

河南科技 2012年2期

关键词：销钉井架底座

西安石油大学机械工程学院王文涛孟阳杨王文娟

西安石油大学机械工程学院王文涛孟阳杨王文娟

石油钻机底座作为钻机的主要承载力部分，其在石油钻机的起升、钻采中的安全性能尤为重要。本文，笔者利用pro/ engineer软件建立新型三维钻机底座模型，用ANSYS有限元分析软件对井架底座进行分析。

一、钻机底座结构特点

钻机底座用以安放钻机井架、绞车、转盘及放置立根和钻井工具。它分为上、中、下三层，上层主要为钻台面部分，用来安装钻台面设备，采用左右对称、销钉连接结构；中层起支撑作用，四个楔形立柱结构，用销钉和上、下层连接；下层为钻机底座基座部分。

本文，笔者将采用结构优化以后的新型三维模型，以刚性连接结构，去掉销钉连接部分，去掉基座不关键结构和井架的支撑结构。在简化各种不关键结构以后，用pro/engineer建立三维实体模型。钻机底座三维模型如图1所示。

二、钻机底座梁结构特点

利用ANSYS软件提供的APDL编程语言，将实体（solid）单元简化为梁（beam）单元进行有限元分析，将异型工字梁简化为“I”字梁或者一体型的“工”字梁，大大简化了分析过程，但简化后的梁单元不能全面表现出钻机底座梁结构的应力变化，以致在局部划分单元之后，不能完全显现出钻机底座的整体应力分布。“I”字梁和“工”字梁如图2所示

本文，笔者采用的梁结构是用pro/engineer建立的“工”字钢模型，先建立起工字钢各构件，然后在pro/engineer中装配成梁结构，模型各构件按照钻机底座的实际尺寸建立，省略掉原来构件连接的焊接过程。在ANSYS中分析时，在定义完单元类型和材料属性之后，进行布尔体运算（GUI: main menu＞Preprocessor＞modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Volumes），这样可以使原来三个独立的钢板成为一个整体，能更好地作为一个整体进行有限元分析。工字梁布尔运算如图3所示。

在ANSYS分析过程中，还可以对钻机底座进行布尔运算，使其成为一个整体，这样可以使分析结果更加接近真实结果。

三、有限元分析结果简析

通过对前文所提到的模型有限元分析，在整体分析上可以划分出上万个单元，而且每个单元都采用（solid 8nodes）划分单元，共得到136 150个节点、393 700个单元，如此多的节点和单元，也是以往结构模型所不能比拟的。本文将给出钻机底座在若干种工况中的其中一种（卡钻起钻工况），转盘梁将受到最大的承载力，即9 000 kN，将力平分之后加载在转盘梁上，各个方向的位移云如图1、图2、图3和图4所示。