張明亮

摘要：對(duì)CAE技術(shù)在井架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，探究ZJ30/1700CZ鉆機(jī)井架在有鉤載情況、自然狀態(tài)下的模態(tài)和靜態(tài)，為井架的合理設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；井架；荷載；模態(tài)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）08－0030－02

CAE，英文全稱(chēng)為Computer Aided Engineering，即計(jì)算機(jī)輔助工程。CAE技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品、工程的性能和功能進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬仿真未來(lái)產(chǎn)品和工程的運(yùn)行狀況和工作狀況，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方面存在的不足，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和完善的一種技術(shù)。

目前來(lái)看，CAD軟件具備強(qiáng)大的三維實(shí)體設(shè)計(jì)功能和較強(qiáng)的捕捉設(shè)計(jì)意識(shí)，使用CAD軟件能夠迅速得到產(chǎn)品的幾何模型。但是，要從根本上改善產(chǎn)品性能、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低產(chǎn)品成本，還是需要采用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，即CAE技術(shù)。從CAE技術(shù)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，CAE技術(shù)是CAD技術(shù)的延伸。

1有限分析模型

井架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常情況下，并不會(huì)完全按照鉆機(jī)井架的實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。所以，要對(duì)鉆機(jī)井架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立一個(gè)與井架實(shí)際結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的力學(xué)模型，并將此作為基礎(chǔ)，對(duì)這一鉆機(jī)井架做動(dòng)態(tài)分析和靜態(tài)分析。

在簡(jiǎn)化鉆機(jī)井架時(shí)，要從以下幾方面入手：①鉆機(jī)井架中的所有節(jié)點(diǎn)都屬于焊接過(guò)程中的剛性節(jié)點(diǎn)，井架上的各個(gè)桿件不僅要承受軸向力，還要承受附加的彎矩作用。所以，在簡(jiǎn)化井架實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g鋼架結(jié)構(gòu)，并將單元改為管單元或者三維梁?jiǎn)卧?。②在建造模型的過(guò)程中，可以將二層臺(tái)吊繩總成、井架扶梯、天車(chē)和二層臺(tái)等一系列井架附件去掉，因?yàn)檫@些附件對(duì)于整個(gè)井架的剛度并不會(huì)產(chǎn)生較大影響。但是，天車(chē)、二層臺(tái)的質(zhì)量比較大，在建模過(guò)程中要考慮到天車(chē)、二層臺(tái)的質(zhì)量，將其添加至相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)位置。軸向拉力由繃?yán)K總成承受，不考慮扭轉(zhuǎn)、彎曲等因素。建模過(guò)程中按照縱向彈簧單元對(duì)其進(jìn)行處理。③經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理后的井架，主要由井架托架、井架上體、井架下體和Y型底座組成，簡(jiǎn)化后井架的連接點(diǎn)將被作為剛性連接點(diǎn)。④根據(jù)井架中梁、桿件在截面尺寸方面的差異，對(duì)井架各個(gè)單元進(jìn)行劃分，可劃分為質(zhì)量單元、彈簧單元、管單元和梁?jiǎn)卧牟糠?。⑤在鉆機(jī)底座上對(duì)井架進(jìn)行安裝，因?yàn)殂@機(jī)底座的剛度比較大，所以可將其當(dāng)作剛體，利用四個(gè)銷(xiāo)子將鉆機(jī)底座與井架連接在一起。其中，井架底部中的6個(gè)自由度、2個(gè)節(jié)點(diǎn)均受到限制，無(wú)法沿著Z軸、Y軸、X軸方向移動(dòng)，也不能夠繞著Z軸、Y軸、X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而井架背部上的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)除了繞著X軸轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有被限制，其余均被限制。

2井架的動(dòng)態(tài)分析與靜態(tài)分析

2.1井架的靜態(tài)分析

不同的工作狀況下，鉆機(jī)井架所承受的外載也不相同。我們將井架外載主要?jiǎng)澐譃樗捷d荷和垂直荷載兩類(lèi)。其中，水平荷載主要包括立根水平負(fù)載、風(fēng)載等；垂直荷載主要包括井架附件自重、井架自重等。

風(fēng)載，實(shí)質(zhì)上就是井架的水平荷載，指風(fēng)從任意的方向吹過(guò)的時(shí)候，對(duì)井架結(jié)構(gòu)上全部處于外露狀態(tài)的構(gòu)件作用的結(jié)果。風(fēng)產(chǎn)生的作用是變化的，在不同的時(shí)段中，風(fēng)速也不相同，同一個(gè)時(shí)段中，不同高度的風(fēng)速也不相同。一系列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，大風(fēng)過(guò)程中，風(fēng)力達(dá)到最強(qiáng)狀態(tài)的時(shí)候，任何高度的風(fēng)速均圍繞著某一個(gè)穩(wěn)定值呈現(xiàn)上下波動(dòng)狀況。

井架的安裝計(jì)算方法：假設(shè)在一定的時(shí)間間隔中，風(fēng)力的方向、大小均穩(wěn)定，其計(jì)算公式為：

F＝P?A. （1）

在（1）式中，F(xiàn)——井架承受的風(fēng)載荷；

P——風(fēng)壓；

A——井架全部外露的表面積在垂直方向投影的總面積。

根據(jù)API Spec4A中的風(fēng)壓計(jì)算式，可得：

P＝0.006 25V 2CsCh.（2）

在（2）式中，V——平均風(fēng)速；

Cs——環(huán)流系數(shù)；

Ch ——風(fēng)壓高度系數(shù)。

2.2井架的動(dòng)態(tài)分析

為了對(duì)ZJ30/1700CZ鉆機(jī)井架進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)了解和掌握井架具備的固有振動(dòng)特性。

2.2.1模態(tài)分析

首先，采用ANSYS軟件對(duì)自然狀態(tài)下的井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以獲取井架前9階的固有頻率，如表1所示。

表1井架前9階固有頻率

階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

固有頻率/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主模態(tài)分析

由表1可知，第1階主模態(tài)主要為井架做大幅度前后搖擺；第2階主模態(tài)主要為井架做大幅左右一階搖擺；第3階主模態(tài)主要為井架在較為強(qiáng)烈的狀態(tài)下圍繞著Z軸的一階做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第4階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺；第5階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺；第6階主模態(tài)主要為井架上體在較為強(qiáng)烈的狀態(tài)下圍繞Z軸的一階做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第7階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺，而且井架上體中的存托架出現(xiàn)小幅度的振動(dòng)；第8階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺，而且井架下體部分的兩側(cè)處于強(qiáng)烈的擺動(dòng)狀態(tài)；第9階主模態(tài)主要為井架下體兩側(cè)處于強(qiáng)烈的左右振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)井架呈現(xiàn)輕微的上下振動(dòng)。

3結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，CAE技術(shù)在井架的設(shè)計(jì)中不僅得到更廣泛的應(yīng)用，而且發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要，它能夠?yàn)榫茉O(shè)計(jì)的合理性、正確性提供有力的保障。

參考文獻(xiàn)

［1］張波.應(yīng)用CAE軟件分析計(jì)算鉆機(jī)井架靜應(yīng)力［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2010.

〔編輯：王霞〕

（英文摘要、關(guān)鍵詞下轉(zhuǎn)第32頁(yè)）

摘要：對(duì)CAE技術(shù)在井架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，探究ZJ30/1700CZ鉆機(jī)井架在有鉤載情況、自然狀態(tài)下的模態(tài)和靜態(tài)，為井架的合理設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；井架；荷載；模態(tài)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）08－0030－02

CAE，英文全稱(chēng)為Computer Aided Engineering，即計(jì)算機(jī)輔助工程。CAE技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品、工程的性能和功能進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬仿真未來(lái)產(chǎn)品和工程的運(yùn)行狀況和工作狀況，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方面存在的不足，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和完善的一種技術(shù)。

目前來(lái)看，CAD軟件具備強(qiáng)大的三維實(shí)體設(shè)計(jì)功能和較強(qiáng)的捕捉設(shè)計(jì)意識(shí)，使用CAD軟件能夠迅速得到產(chǎn)品的幾何模型。但是，要從根本上改善產(chǎn)品性能、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低產(chǎn)品成本，還是需要采用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，即CAE技術(shù)。從CAE技術(shù)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，CAE技術(shù)是CAD技術(shù)的延伸。

1有限分析模型

井架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常情況下，并不會(huì)完全按照鉆機(jī)井架的實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。所以，要對(duì)鉆機(jī)井架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立一個(gè)與井架實(shí)際結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的力學(xué)模型，并將此作為基礎(chǔ)，對(duì)這一鉆機(jī)井架做動(dòng)態(tài)分析和靜態(tài)分析。

在簡(jiǎn)化鉆機(jī)井架時(shí)，要從以下幾方面入手：①鉆機(jī)井架中的所有節(jié)點(diǎn)都屬于焊接過(guò)程中的剛性節(jié)點(diǎn)，井架上的各個(gè)桿件不僅要承受軸向力，還要承受附加的彎矩作用。所以，在簡(jiǎn)化井架實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g鋼架結(jié)構(gòu)，并將單元改為管單元或者三維梁?jiǎn)卧?。②在建造模型的過(guò)程中，可以將二層臺(tái)吊繩總成、井架扶梯、天車(chē)和二層臺(tái)等一系列井架附件去掉，因?yàn)檫@些附件對(duì)于整個(gè)井架的剛度并不會(huì)產(chǎn)生較大影響。但是，天車(chē)、二層臺(tái)的質(zhì)量比較大，在建模過(guò)程中要考慮到天車(chē)、二層臺(tái)的質(zhì)量，將其添加至相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)位置。軸向拉力由繃?yán)K總成承受，不考慮扭轉(zhuǎn)、彎曲等因素。建模過(guò)程中按照縱向彈簧單元對(duì)其進(jìn)行處理。③經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理后的井架，主要由井架托架、井架上體、井架下體和Y型底座組成，簡(jiǎn)化后井架的連接點(diǎn)將被作為剛性連接點(diǎn)。④根據(jù)井架中梁、桿件在截面尺寸方面的差異，對(duì)井架各個(gè)單元進(jìn)行劃分，可劃分為質(zhì)量單元、彈簧單元、管單元和梁?jiǎn)卧牟糠?。⑤在鉆機(jī)底座上對(duì)井架進(jìn)行安裝，因?yàn)殂@機(jī)底座的剛度比較大，所以可將其當(dāng)作剛體，利用四個(gè)銷(xiāo)子將鉆機(jī)底座與井架連接在一起。其中，井架底部中的6個(gè)自由度、2個(gè)節(jié)點(diǎn)均受到限制，無(wú)法沿著Z軸、Y軸、X軸方向移動(dòng)，也不能夠繞著Z軸、Y軸、X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而井架背部上的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)除了繞著X軸轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有被限制，其余均被限制。

2井架的動(dòng)態(tài)分析與靜態(tài)分析

2.1井架的靜態(tài)分析

不同的工作狀況下，鉆機(jī)井架所承受的外載也不相同。我們將井架外載主要?jiǎng)澐譃樗捷d荷和垂直荷載兩類(lèi)。其中，水平荷載主要包括立根水平負(fù)載、風(fēng)載等；垂直荷載主要包括井架附件自重、井架自重等。

風(fēng)載，實(shí)質(zhì)上就是井架的水平荷載，指風(fēng)從任意的方向吹過(guò)的時(shí)候，對(duì)井架結(jié)構(gòu)上全部處于外露狀態(tài)的構(gòu)件作用的結(jié)果。風(fēng)產(chǎn)生的作用是變化的，在不同的時(shí)段中，風(fēng)速也不相同，同一個(gè)時(shí)段中，不同高度的風(fēng)速也不相同。一系列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，大風(fēng)過(guò)程中，風(fēng)力達(dá)到最強(qiáng)狀態(tài)的時(shí)候，任何高度的風(fēng)速均圍繞著某一個(gè)穩(wěn)定值呈現(xiàn)上下波動(dòng)狀況。

井架的安裝計(jì)算方法：假設(shè)在一定的時(shí)間間隔中，風(fēng)力的方向、大小均穩(wěn)定，其計(jì)算公式為：

F＝P?A. （1）

在（1）式中，F(xiàn)——井架承受的風(fēng)載荷；

P——風(fēng)壓；

A——井架全部外露的表面積在垂直方向投影的總面積。

根據(jù)API Spec4A中的風(fēng)壓計(jì)算式，可得：

P＝0.006 25V 2CsCh.（2）

在（2）式中，V——平均風(fēng)速；

Cs——環(huán)流系數(shù)；

Ch ——風(fēng)壓高度系數(shù)。

2.2井架的動(dòng)態(tài)分析

為了對(duì)ZJ30/1700CZ鉆機(jī)井架進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)了解和掌握井架具備的固有振動(dòng)特性。

2.2.1模態(tài)分析

首先，采用ANSYS軟件對(duì)自然狀態(tài)下的井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以獲取井架前9階的固有頻率，如表1所示。

表1井架前9階固有頻率

階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

固有頻率/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主模態(tài)分析

由表1可知，第1階主模態(tài)主要為井架做大幅度前后搖擺；第2階主模態(tài)主要為井架做大幅左右一階搖擺；第3階主模態(tài)主要為井架在較為強(qiáng)烈的狀態(tài)下圍繞著Z軸的一階做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第4階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺；第5階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺；第6階主模態(tài)主要為井架上體在較為強(qiáng)烈的狀態(tài)下圍繞Z軸的一階做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第7階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺，而且井架上體中的存托架出現(xiàn)小幅度的振動(dòng)；第8階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺，而且井架下體部分的兩側(cè)處于強(qiáng)烈的擺動(dòng)狀態(tài)；第9階主模態(tài)主要為井架下體兩側(cè)處于強(qiáng)烈的左右振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)井架呈現(xiàn)輕微的上下振動(dòng)。

3結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，CAE技術(shù)在井架的設(shè)計(jì)中不僅得到更廣泛的應(yīng)用，而且發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要，它能夠?yàn)榫茉O(shè)計(jì)的合理性、正確性提供有力的保障。

參考文獻(xiàn)

［1］張波.應(yīng)用CAE軟件分析計(jì)算鉆機(jī)井架靜應(yīng)力［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2010.

〔編輯：王霞〕

（英文摘要、關(guān)鍵詞下轉(zhuǎn)第32頁(yè)）

摘要：對(duì)CAE技術(shù)在井架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，探究ZJ30/1700CZ鉆機(jī)井架在有鉤載情況、自然狀態(tài)下的模態(tài)和靜態(tài)，為井架的合理設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；井架；荷載；模態(tài)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）08－0030－02

CAE，英文全稱(chēng)為Computer Aided Engineering，即計(jì)算機(jī)輔助工程。CAE技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品、工程的性能和功能進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬仿真未來(lái)產(chǎn)品和工程的運(yùn)行狀況和工作狀況，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方面存在的不足，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和完善的一種技術(shù)。

目前來(lái)看，CAD軟件具備強(qiáng)大的三維實(shí)體設(shè)計(jì)功能和較強(qiáng)的捕捉設(shè)計(jì)意識(shí)，使用CAD軟件能夠迅速得到產(chǎn)品的幾何模型。但是，要從根本上改善產(chǎn)品性能、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低產(chǎn)品成本，還是需要采用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，即CAE技術(shù)。從CAE技術(shù)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，CAE技術(shù)是CAD技術(shù)的延伸。

1有限分析模型

井架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常情況下，并不會(huì)完全按照鉆機(jī)井架的實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。所以，要對(duì)鉆機(jī)井架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立一個(gè)與井架實(shí)際結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的力學(xué)模型，并將此作為基礎(chǔ)，對(duì)這一鉆機(jī)井架做動(dòng)態(tài)分析和靜態(tài)分析。

在簡(jiǎn)化鉆機(jī)井架時(shí)，要從以下幾方面入手：①鉆機(jī)井架中的所有節(jié)點(diǎn)都屬于焊接過(guò)程中的剛性節(jié)點(diǎn)，井架上的各個(gè)桿件不僅要承受軸向力，還要承受附加的彎矩作用。所以，在簡(jiǎn)化井架實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g鋼架結(jié)構(gòu)，并將單元改為管單元或者三維梁?jiǎn)卧?。②在建造模型的過(guò)程中，可以將二層臺(tái)吊繩總成、井架扶梯、天車(chē)和二層臺(tái)等一系列井架附件去掉，因?yàn)檫@些附件對(duì)于整個(gè)井架的剛度并不會(huì)產(chǎn)生較大影響。但是，天車(chē)、二層臺(tái)的質(zhì)量比較大，在建模過(guò)程中要考慮到天車(chē)、二層臺(tái)的質(zhì)量，將其添加至相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)位置。軸向拉力由繃?yán)K總成承受，不考慮扭轉(zhuǎn)、彎曲等因素。建模過(guò)程中按照縱向彈簧單元對(duì)其進(jìn)行處理。③經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理后的井架，主要由井架托架、井架上體、井架下體和Y型底座組成，簡(jiǎn)化后井架的連接點(diǎn)將被作為剛性連接點(diǎn)。④根據(jù)井架中梁、桿件在截面尺寸方面的差異，對(duì)井架各個(gè)單元進(jìn)行劃分，可劃分為質(zhì)量單元、彈簧單元、管單元和梁?jiǎn)卧牟糠?。⑤在鉆機(jī)底座上對(duì)井架進(jìn)行安裝，因?yàn)殂@機(jī)底座的剛度比較大，所以可將其當(dāng)作剛體，利用四個(gè)銷(xiāo)子將鉆機(jī)底座與井架連接在一起。其中，井架底部中的6個(gè)自由度、2個(gè)節(jié)點(diǎn)均受到限制，無(wú)法沿著Z軸、Y軸、X軸方向移動(dòng)，也不能夠繞著Z軸、Y軸、X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而井架背部上的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)除了繞著X軸轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有被限制，其余均被限制。

2井架的動(dòng)態(tài)分析與靜態(tài)分析

2.1井架的靜態(tài)分析

不同的工作狀況下，鉆機(jī)井架所承受的外載也不相同。我們將井架外載主要?jiǎng)澐譃樗捷d荷和垂直荷載兩類(lèi)。其中，水平荷載主要包括立根水平負(fù)載、風(fēng)載等；垂直荷載主要包括井架附件自重、井架自重等。

風(fēng)載，實(shí)質(zhì)上就是井架的水平荷載，指風(fēng)從任意的方向吹過(guò)的時(shí)候，對(duì)井架結(jié)構(gòu)上全部處于外露狀態(tài)的構(gòu)件作用的結(jié)果。風(fēng)產(chǎn)生的作用是變化的，在不同的時(shí)段中，風(fēng)速也不相同，同一個(gè)時(shí)段中，不同高度的風(fēng)速也不相同。一系列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，大風(fēng)過(guò)程中，風(fēng)力達(dá)到最強(qiáng)狀態(tài)的時(shí)候，任何高度的風(fēng)速均圍繞著某一個(gè)穩(wěn)定值呈現(xiàn)上下波動(dòng)狀況。

井架的安裝計(jì)算方法：假設(shè)在一定的時(shí)間間隔中，風(fēng)力的方向、大小均穩(wěn)定，其計(jì)算公式為：

F＝P?A. （1）

在（1）式中，F(xiàn)——井架承受的風(fēng)載荷；

P——風(fēng)壓；

A——井架全部外露的表面積在垂直方向投影的總面積。

根據(jù)API Spec4A中的風(fēng)壓計(jì)算式，可得：

P＝0.006 25V 2CsCh.（2）

在（2）式中，V——平均風(fēng)速；

Cs——環(huán)流系數(shù)；

Ch ——風(fēng)壓高度系數(shù)。

2.2井架的動(dòng)態(tài)分析

為了對(duì)ZJ30/1700CZ鉆機(jī)井架進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)了解和掌握井架具備的固有振動(dòng)特性。

2.2.1模態(tài)分析

首先，采用ANSYS軟件對(duì)自然狀態(tài)下的井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以獲取井架前9階的固有頻率，如表1所示。

表1井架前9階固有頻率

階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

固有頻率/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主模態(tài)分析

由表1可知，第1階主模態(tài)主要為井架做大幅度前后搖擺；第2階主模態(tài)主要為井架做大幅左右一階搖擺；第3階主模態(tài)主要為井架在較為強(qiáng)烈的狀態(tài)下圍繞著Z軸的一階做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第4階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺；第5階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺；第6階主模態(tài)主要為井架上體在較為強(qiáng)烈的狀態(tài)下圍繞Z軸的一階做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第7階主模態(tài)主要為井架做大幅前后二階搖擺，而且井架上體中的存托架出現(xiàn)小幅度的振動(dòng)；第8階主模態(tài)主要為井架做大幅二階左右搖擺，而且井架下體部分的兩側(cè)處于強(qiáng)烈的擺動(dòng)狀態(tài)；第9階主模態(tài)主要為井架下體兩側(cè)處于強(qiáng)烈的左右振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)井架呈現(xiàn)輕微的上下振動(dòng)。

3結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，CAE技術(shù)在井架的設(shè)計(jì)中不僅得到更廣泛的應(yīng)用，而且發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要，它能夠?yàn)榫茉O(shè)計(jì)的合理性、正確性提供有力的保障。

參考文獻(xiàn)

［1］張波.應(yīng)用CAE軟件分析計(jì)算鉆機(jī)井架靜應(yīng)力［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2010.

〔編輯：王霞〕

（英文摘要、關(guān)鍵詞下轉(zhuǎn)第32頁(yè)）