CAE技术在井架设计中的应用
2014-07-17张明亮
张明亮
摘要：对CAE技术在井架设计中的应用进行深入分析，探究ZJ30/1700CZ钻机井架在有钩载情况、自然状态下的模态和静态，为井架的合理设计提供参考。
关键词：CAE技术；井架；荷载；模态分析
中图分类号：TE923 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）08－0030－02
CAE，英文全称为Computer Aided Engineering，即计算机辅助工程。CAE技术，实质上就是利用计算机对产品、工程的性能和功能进行计算和优化设计，模拟仿真未来产品和工程的运行状况和工作状况，尽早发现设计方面存在的不足，并对设计方案进行优化和完善的一种技术。
目前来看，CAD软件具备强大的三维实体设计功能和较强的捕捉设计意识，使用CAD软件能够迅速得到产品的几何模型。但是，要从根本上改善产品性能、缩短产品开发周期和降低产品成本，还是需要采用计算机辅助工程技术，即CAE技术。从CAE技术的发展过程来看，CAE技术是CAD技术的延伸。
1有限分析模型
井架的结构比较复杂，通常情况下，并不会完全按照钻机井架的实际结构对其进行计算分析。所以，要对钻机井架的结构进行简化，建立一个与井架实际结构相类似的力学模型，并将此作为基础，对这一钻机井架做动态分析和静态分析。
在简化钻机井架时，要从以下几方面入手：①钻机井架中的所有节点都属于焊接过程中的刚性节点，井架上的各个杆件不仅要承受轴向力，还要承受附加的弯矩作用。所以，在简化井架实际结构时，可以将其转变为空间钢架结构，并将单元改为管单元或者三维梁单元。②在建造模型的过程中，可以将二层台吊绳总成、井架扶梯、天车和二层台等一系列井架附件去掉，因为这些附件对于整个井架的刚度并不会产生较大影响。但是，天车、二层台的质量比较大，在建模过程中要考虑到天车、二层台的质量，将其添加至相应的结点位置。轴向拉力由绷绳总成承受，不考虑扭转、弯曲等因素。建模过程中按照纵向弹簧单元对其进行处理。③经过简化处理后的井架，主要由井架托架、井架上体、井架下体和Y型底座组成，简化后井架的连接点将被作为刚性连接点。④根据井架中梁、杆件在截面尺寸方面的差异，对井架各个单元进行划分，可划分为质量单元、弹簧单元、管单元和梁单元四部分。⑤在钻机底座上对井架进行安装，因为钻机底座的刚度比较大，所以可将其当作刚体，利用四个销子将钻机底座与井架连接在一起。其中，井架底部中的6个自由度、2个节点均受到限制，无法沿着Z轴、Y轴、X轴方向移动，也不能够绕着Z轴、Y轴、X轴转动，而井架背部上的两个结点除了绕着X轴转动没有被限制，其余均被限制。
2井架的动态分析与静态分析
2.1井架的静态分析
不同的工作状况下，钻机井架所承受的外载也不相同。我们将井架外载主要划分为水平载荷和垂直荷载两类。其中，水平荷载主要包括立根水平负载、风载等；垂直荷载主要包括井架附件自重、井架自重等。
风载，实质上就是井架的水平荷载，指风从任意的方向吹过的时候，对井架结构上全部处于外露状态的构件作用的结果。风产生的作用是变化的，在不同的时段中，风速也不相同，同一个时段中，不同高度的风速也不相同。一系列实测数据表明，大风过程中，风力达到最强状态的时候，任何高度的风速均围绕着某一个稳定值呈现上下波动状况。
井架的安装计算方法：假设在一定的时间间隔中，风力的方向、大小均稳定，其计算公式为：
F＝P•A. （1）
在（1）式中，F——井架承受的风载荷；
P——风压；
A——井架全部外露的表面积在垂直方向投影的总面积。
根据API Spec4A中的风压计算式，可得：
P＝0.006 25V 2CsCh.（2）
在（2）式中，V——平均风速；
Cs——环流系数；
Ch ——风压高度系数。
2.2井架的动态分析
为了对ZJ30/1700CZ钻机井架进行合理的设计，应当了解和掌握井架具备的固有振动特性。
2.2.1模态分析
首先，采用ANSYS软件对自然状态下的井架结构进行模态分析，可以获取井架前9阶的固有频率，如表1所示。
表1井架前9阶固有频率
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
固有频率/Hz 0.797 09 1.372 3 2.645 1 4.103 3 4.978 9 9.203 6 13.216 13.504 16.496
2.2.2主模态分析
由表1可知，第1阶主模态主要为井架做大幅度前后摇摆；第2阶主模态主要为井架做大幅左右一阶摇摆；第3阶主模态主要为井架在较为强烈的状态下围绕着Z轴的一阶做扭转运动；第4阶主模态主要为井架做大幅前后二阶摇摆；第5阶主模态主要为井架做大幅二阶左右摇摆；第6阶主模态主要为井架上体在较为强烈的状态下围绕Z轴的一阶做扭转运动；第7阶主模态主要为井架做大幅前后二阶摇摆，而且井架上体中的存托架出现小幅度的振动；第8阶主模态主要为井架做大幅二阶左右摇摆，而且井架下体部分的两侧处于强烈的摆动状态；第9阶主模态主要为井架下体两侧处于强烈的左右振动状态，同时井架呈现轻微的上下振动。
3结束语
现阶段，CAE技术在井架的设计中不仅得到更广泛的应用，而且发挥的作用也越来越重要，它能够为井架设计的合理性、正确性提供有力的保障。
参考文献
［1］张波.应用CAE软件分析计算钻机井架静应力［D］.兰州：兰州理工大学，2010.
〔编辑：王霞〕
（英文摘要、关键词下转第32页）
摘要：对CAE技术在井架设计中的应用进行深入分析，探究ZJ30/1700CZ钻机井架在有钩载情况、自然状态下的模态和静态，为井架的合理设计提供参考。
关键词：CAE技术；井架；荷载；模态分析
中图分类号：TE923 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）08－0030－02
CAE，英文全称为Computer Aided Engineering，即计算机辅助工程。CAE技术，实质上就是利用计算机对产品、工程的性能和功能进行计算和优化设计，模拟仿真未来产品和工程的运行状况和工作状况，尽早发现设计方面存在的不足，并对设计方案进行优化和完善的一种技术。
目前来看，CAD软件具备强大的三维实体设计功能和较强的捕捉设计意识，使用CAD软件能够迅速得到产品的几何模型。但是，要从根本上改善产品性能、缩短产品开发周期和降低产品成本，还是需要采用计算机辅助工程技术，即CAE技术。从CAE技术的发展过程来看，CAE技术是CAD技术的延伸。
1有限分析模型
井架的结构比较复杂，通常情况下，并不会完全按照钻机井架的实际结构对其进行计算分析。所以，要对钻机井架的结构进行简化，建立一个与井架实际结构相类似的力学模型，并将此作为基础，对这一钻机井架做动态分析和静态分析。
在简化钻机井架时，要从以下几方面入手：①钻机井架中的所有节点都属于焊接过程中的刚性节点，井架上的各个杆件不仅要承受轴向力，还要承受附加的弯矩作用。所以，在简化井架实际结构时，可以将其转变为空间钢架结构，并将单元改为管单元或者三维梁单元。②在建造模型的过程中，可以将二层台吊绳总成、井架扶梯、天车和二层台等一系列井架附件去掉，因为这些附件对于整个井架的刚度并不会产生较大影响。但是，天车、二层台的质量比较大，在建模过程中要考虑到天车、二层台的质量，将其添加至相应的结点位置。轴向拉力由绷绳总成承受，不考虑扭转、弯曲等因素。建模过程中按照纵向弹簧单元对其进行处理。③经过简化处理后的井架，主要由井架托架、井架上体、井架下体和Y型底座组成，简化后井架的连接点将被作为刚性连接点。④根据井架中梁、杆件在截面尺寸方面的差异，对井架各个单元进行划分，可划分为质量单元、弹簧单元、管单元和梁单元四部分。⑤在钻机底座上对井架进行安装，因为钻机底座的刚度比较大，所以可将其当作刚体，利用四个销子将钻机底座与井架连接在一起。其中，井架底部中的6个自由度、2个节点均受到限制，无法沿着Z轴、Y轴、X轴方向移动，也不能够绕着Z轴、Y轴、X轴转动，而井架背部上的两个结点除了绕着X轴转动没有被限制，其余均被限制。
2井架的动态分析与静态分析
2.1井架的静态分析
不同的工作状况下，钻机井架所承受的外载也不相同。我们将井架外载主要划分为水平载荷和垂直荷载两类。其中，水平荷载主要包括立根水平负载、风载等；垂直荷载主要包括井架附件自重、井架自重等。
风载，实质上就是井架的水平荷载，指风从任意的方向吹过的时候，对井架结构上全部处于外露状态的构件作用的结果。风产生的作用是变化的，在不同的时段中，风速也不相同，同一个时段中，不同高度的风速也不相同。一系列实测数据表明，大风过程中，风力达到最强状态的时候，任何高度的风速均围绕着某一个稳定值呈现上下波动状况。
井架的安装计算方法：假设在一定的时间间隔中，风力的方向、大小均稳定，其计算公式为：
F＝P•A. （1）
在（1）式中，F——井架承受的风载荷；
P——风压；
A——井架全部外露的表面积在垂直方向投影的总面积。
根据API Spec4A中的风压计算式，可得：
P＝0.006 25V 2CsCh.（2）
在（2）式中，V——平均风速；
Cs——环流系数；
Ch ——风压高度系数。
2.2井架的动态分析
为了对ZJ30/1700CZ钻机井架进行合理的设计，应当了解和掌握井架具备的固有振动特性。
2.2.1模态分析
首先，采用ANSYS软件对自然状态下的井架结构进行模态分析，可以获取井架前9阶的固有频率，如表1所示。
表1井架前9阶固有频率
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
固有频率/Hz 0.797 09 1.372 3 2.645 1 4.103 3 4.978 9 9.203 6 13.216 13.504 16.496
2.2.2主模态分析
由表1可知，第1阶主模态主要为井架做大幅度前后摇摆；第2阶主模态主要为井架做大幅左右一阶摇摆；第3阶主模态主要为井架在较为强烈的状态下围绕着Z轴的一阶做扭转运动；第4阶主模态主要为井架做大幅前后二阶摇摆；第5阶主模态主要为井架做大幅二阶左右摇摆；第6阶主模态主要为井架上体在较为强烈的状态下围绕Z轴的一阶做扭转运动；第7阶主模态主要为井架做大幅前后二阶摇摆，而且井架上体中的存托架出现小幅度的振动；第8阶主模态主要为井架做大幅二阶左右摇摆，而且井架下体部分的两侧处于强烈的摆动状态；第9阶主模态主要为井架下体两侧处于强烈的左右振动状态，同时井架呈现轻微的上下振动。
3结束语
现阶段，CAE技术在井架的设计中不仅得到更广泛的应用，而且发挥的作用也越来越重要，它能够为井架设计的合理性、正确性提供有力的保障。
参考文献
［1］张波.应用CAE软件分析计算钻机井架静应力［D］.兰州：兰州理工大学，2010.
〔编辑：王霞〕
（英文摘要、关键词下转第32页）
摘要：对CAE技术在井架设计中的应用进行深入分析，探究ZJ30/1700CZ钻机井架在有钩载情况、自然状态下的模态和静态，为井架的合理设计提供参考。
关键词：CAE技术；井架；荷载；模态分析
中图分类号：TE923 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）08－0030－02
CAE，英文全称为Computer Aided Engineering，即计算机辅助工程。CAE技术，实质上就是利用计算机对产品、工程的性能和功能进行计算和优化设计，模拟仿真未来产品和工程的运行状况和工作状况，尽早发现设计方面存在的不足，并对设计方案进行优化和完善的一种技术。
目前来看，CAD软件具备强大的三维实体设计功能和较强的捕捉设计意识，使用CAD软件能够迅速得到产品的几何模型。但是，要从根本上改善产品性能、缩短产品开发周期和降低产品成本，还是需要采用计算机辅助工程技术，即CAE技术。从CAE技术的发展过程来看，CAE技术是CAD技术的延伸。
1有限分析模型
井架的结构比较复杂，通常情况下，并不会完全按照钻机井架的实际结构对其进行计算分析。所以，要对钻机井架的结构进行简化，建立一个与井架实际结构相类似的力学模型，并将此作为基础，对这一钻机井架做动态分析和静态分析。
在简化钻机井架时，要从以下几方面入手：①钻机井架中的所有节点都属于焊接过程中的刚性节点，井架上的各个杆件不仅要承受轴向力，还要承受附加的弯矩作用。所以，在简化井架实际结构时，可以将其转变为空间钢架结构，并将单元改为管单元或者三维梁单元。②在建造模型的过程中，可以将二层台吊绳总成、井架扶梯、天车和二层台等一系列井架附件去掉，因为这些附件对于整个井架的刚度并不会产生较大影响。但是，天车、二层台的质量比较大，在建模过程中要考虑到天车、二层台的质量，将其添加至相应的结点位置。轴向拉力由绷绳总成承受，不考虑扭转、弯曲等因素。建模过程中按照纵向弹簧单元对其进行处理。③经过简化处理后的井架，主要由井架托架、井架上体、井架下体和Y型底座组成，简化后井架的连接点将被作为刚性连接点。④根据井架中梁、杆件在截面尺寸方面的差异，对井架各个单元进行划分，可划分为质量单元、弹簧单元、管单元和梁单元四部分。⑤在钻机底座上对井架进行安装，因为钻机底座的刚度比较大，所以可将其当作刚体，利用四个销子将钻机底座与井架连接在一起。其中，井架底部中的6个自由度、2个节点均受到限制，无法沿着Z轴、Y轴、X轴方向移动，也不能够绕着Z轴、Y轴、X轴转动，而井架背部上的两个结点除了绕着X轴转动没有被限制，其余均被限制。
2井架的动态分析与静态分析
2.1井架的静态分析
不同的工作状况下，钻机井架所承受的外载也不相同。我们将井架外载主要划分为水平载荷和垂直荷载两类。其中，水平荷载主要包括立根水平负载、风载等；垂直荷载主要包括井架附件自重、井架自重等。
风载，实质上就是井架的水平荷载，指风从任意的方向吹过的时候，对井架结构上全部处于外露状态的构件作用的结果。风产生的作用是变化的，在不同的时段中，风速也不相同，同一个时段中，不同高度的风速也不相同。一系列实测数据表明，大风过程中，风力达到最强状态的时候，任何高度的风速均围绕着某一个稳定值呈现上下波动状况。
井架的安装计算方法：假设在一定的时间间隔中，风力的方向、大小均稳定，其计算公式为：
F＝P•A. （1）
在（1）式中，F——井架承受的风载荷；
P——风压；
A——井架全部外露的表面积在垂直方向投影的总面积。
根据API Spec4A中的风压计算式，可得：
P＝0.006 25V 2CsCh.（2）
在（2）式中，V——平均风速；
Cs——环流系数；
Ch ——风压高度系数。
2.2井架的动态分析
为了对ZJ30/1700CZ钻机井架进行合理的设计，应当了解和掌握井架具备的固有振动特性。
2.2.1模态分析
首先，采用ANSYS软件对自然状态下的井架结构进行模态分析，可以获取井架前9阶的固有频率，如表1所示。
表1井架前9阶固有频率
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
固有频率/Hz 0.797 09 1.372 3 2.645 1 4.103 3 4.978 9 9.203 6 13.216 13.504 16.496
2.2.2主模态分析
由表1可知，第1阶主模态主要为井架做大幅度前后摇摆；第2阶主模态主要为井架做大幅左右一阶摇摆；第3阶主模态主要为井架在较为强烈的状态下围绕着Z轴的一阶做扭转运动；第4阶主模态主要为井架做大幅前后二阶摇摆；第5阶主模态主要为井架做大幅二阶左右摇摆；第6阶主模态主要为井架上体在较为强烈的状态下围绕Z轴的一阶做扭转运动；第7阶主模态主要为井架做大幅前后二阶摇摆，而且井架上体中的存托架出现小幅度的振动；第8阶主模态主要为井架做大幅二阶左右摇摆，而且井架下体部分的两侧处于强烈的摆动状态；第9阶主模态主要为井架下体两侧处于强烈的左右振动状态，同时井架呈现轻微的上下振动。
3结束语
现阶段，CAE技术在井架的设计中不仅得到更广泛的应用，而且发挥的作用也越来越重要，它能够为井架设计的合理性、正确性提供有力的保障。
参考文献
［1］张波.应用CAE软件分析计算钻机井架静应力［D］.兰州：兰州理工大学，2010.
〔编辑：王霞〕
（英文摘要、关键词下转第32页）
