新型結構建模在井架底座有限元分析中的應用

西安石油大學 機械工程學院 王文濤 孟陽楊 王文娟

新型結構建模在井架底座有限元分析中的應用

西安石油大學 機械工程學院 王文濤 孟陽楊 王文娟

石油鉆機底座作為鉆機的主要承載力部分，其在石油鉆機的起升、鉆采中的安全性能尤為重要。本文，筆者利用pro/ engineer軟件建立新型三維鉆機底座模型，用ANSYS有限元分析軟件對井架底座進行分析。

一、鉆機底座結構特點

鉆機底座用以安放鉆機井架、絞車、轉盤及放置立根和鉆井工具。它分為上、中、下三層，上層主要為鉆臺面部分，用來安裝鉆臺面設備，采用左右對稱、銷釘連接結構；中層起支撐作用，四個楔形立柱結構，用銷釘和上、下層連接；下層為鉆機底座基座部分。

本文，筆者將采用結構優(yōu)化以后的新型三維模型，以剛性連接結構，去掉銷釘連接部分，去掉基座不關鍵結構和井架的支撐結構。在簡化各種不關鍵結構以后，用pro/engineer建立三維實體模型。鉆機底座三維模型如圖1所示。

二、鉆機底座梁結構特點

利用ANSYS軟件提供的APDL編程語言，將實體（solid）單元簡化為梁（beam）單元進行有限元分析，將異型工字梁簡化為“I”字梁或者一體型的“工”字梁，大大簡化了分析過程，但簡化后的梁單元不能全面表現(xiàn)出鉆機底座梁結構的應力變化，以致在局部劃分單元之后，不能完全顯現(xiàn)出鉆機底座的整體應力分布。“I”字梁和“工”字梁如圖2所示

本文，筆者采用的梁結構是用pro/engineer建立的“工”字鋼模型，先建立起工字鋼各構件，然后在pro/engineer中裝配成梁結構，模型各構件按照鉆機底座的實際尺寸建立，省略掉原來構件連接的焊接過程。在ANSYS中分析時，在定義完單元類型和材料屬性之后，進行布爾體運算（GUI: main menu＞Preprocessor＞modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Volumes），這樣可以使原來三個獨立的鋼板成為一個整體，能更好地作為一個整體進行有限元分析。工字梁布爾運算如圖3所示。

在ANSYS分析過程中，還可以對鉆機底座進行布爾運算，使其成為一個整體，這樣可以使分析結果更加接近真實結果。

三、有限元分析結果簡析

通過對前文所提到的模型有限元分析，在整體分析上可以劃分出上萬個單元，而且每個單元都采用（solid 8nodes）劃分單元，共得到136 150個節(jié)點、393 700個單元，如此多的節(jié)點和單元，也是以往結構模型所不能比擬的。本文將給出鉆機底座在若干種工況中的其中一種（卡鉆起鉆工況），轉盤梁將受到最大的承載力，即9 000 kN，將力平分之后加載在轉盤梁上，各個方向的位移云如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

四、結論

本文，筆者所采用了全新建模結構，目的是為了在進行有限元分析時，其應力應變更接近真實工況，將應力應變擴展到每一個小單元上，在分析上也能更接近實際情況。