钻机底座有限元分析

   

      钻机底座是钻井工程的关键装备,是大型的金属钢结构件,组件多,受力复杂,而且工作环境一般比较恶劣,对其进行强度、可靠性、疲劳分析是十分必要的,因此底座设计计算一直备受世界石油装备领域的关注。本文以5000m钻机底座为例,运用Solidworks软件建立底座实体模型,导入ANSYS Workbench,按照API规定的工况进行分析,完成底座的强度校核。


1 钻机底座模型建立

       在工程计算中,ANSYS可以进行精确计算,建模一般是将钻机井架和底座简化为梁和线单元,这种建模完全简化底座结构特点,网格简单,对于大规模的空间钢架结构的钻机底座而言,ANSYS建模不科学,大量的关键点的建立,由低到高的建模过程,随时都会出现错误,增加建模的难度。

       本文以Solidworks建模,建立底座的实体模型,依据底座实际底座的要求,去掉次要承载元件:在模型特征中删除螺纹、尖角倒角等对模型影响不大的特征,如果是装配体载人ANSYS,再导入之前需要做干涉检查,保证各零部件之间不存在干涉现象,分析更真实的反应各元件受力情况。图1为在Solidworks中建立的5000m钻机底座实体模型。

底座实体模型

图1 底座实体模型


2 Solidworks的模型导入ANSYS Workbench

       本文以Solidworks13.0和ANSYS Workbench14.5研究数据之间转化。ANSYS Workbench是ANSYS公司开发的新一代协同仿真环境,包括CAE建模工具DM,分析工具DS,优化模块DX;并能与其它CAD软件无缝共享模型和数据,能够实现不同来源CAD数据的装配和参数化管理,CAD模型导入成功率高,减少出错率缩短设计和分析流程。Solidworks13.0和ANSYS Workbench14.5间无缝链接如图2所示。

       操作步骤:在Solidworks13.0中建立好的模型如图1所示:ANSYS Workbench 14.5-选择Analysis System-Import Geometry就可以把模型完整的导入到ANSYS Workbench中,在Solidworks的模型导入ANSYS中的单位要一致,在ANSYS中分析中输入密度为7850kg·m,弹性模量为2.1×1011MPa,泊松比为0.3,重力加速度为9.8m/s2。

Solidworks13.0和ANSYS Workbench14.5链接

图2 Solidworks13.0和ANSYS Workbench14.5链接


3 钻机底座静力分析

3.1  工况分析

       钻机底座在运输过程中,会拆分成小的零件,然后在钻井施工现场进行组装和调试。钻机井架与底座在运移、安装、起升及钻井操作过程中承受很多种载荷作用,承受的载荷在一定程度上具有不确定性,且在钻井过程中,会受到钻杆的力的作用,由于井下的环境复杂,各种作用力难以预测,只有设置出合理的载荷,且合理的分配这些载荷,才能真实的反应钻机底座是否安全。根据现场调研及有关文献,钻机井架底座所承受的载荷主要包括:转盘最大载荷、额定立根载荷、满立根+风载荷、卡钻载荷。这4种钻机底座所受到的载荷,是对钻机底座影响最大的因素,是判断底座能否正常工作的前提。只有确定了钻机底座的工况分析,才能更加深入的了解底座,以便在后续设计中提高底座强度。各工况载荷如下:

       转盘最大载荷=钻机、钻塔白重+3150kN转盘载荷:

       额定立根载荷=钻机、钻塔白重+1800kN满立根载荷:

       满立根+风载荷=钻机、钻塔白重+最大风速47.8m/s;

       卡钻载荷:钻机、钻塔白重+5000kN。


3.2  网格划分

       网格划分是有限元分析的前提,workbench默认的设置一般可以满足小部件的要求,对于本文研究的底座,需首先对部分零件进行独立网格划分。根据多次的分析,本文选定【Relevance】=0,【Element Size】=200,网格平滑【Smoothing】为中级【Medium】,网格过渡【Transition】选择快速过渡【Fast】。

       导入的模型划分网格后如图3所示。通过对钻机底座的网格划分,得到152194个节点,373154个单元,采用实体单元进行体结构网格划分,将焊接点作为关键点,一共产生了12362个关键点。

底座网格划分

图3 底座网格划分


3.3  转盘最大载荷

       AISC新规范中许用应力设计规定的安全系数是1.67,井架和底座主承载杆件材料为16Mn或Q345,屈服极限为345MPa,即许用应力为207MPa。对于井架及底座207MPa即为60%材料屈服应力。

       结构的位移计算很重要,验算结构的刚度就是验算结构的位移是否超过了允许的位移限制值,对于梁的挠度,其许可值以许可的挠度与梁跨厂之比为标准,对于底座结构体去1/700,同时指出,对于一般的钢结构体,强度要求如能满足,刚度一般也能满足,在设计工作中,刚度要求比起强度要求来,常处于次要地位。

       边界条件为底座基面下层全约束,转盘最大载荷为3150kN,平均分配在转盘梁上为787.5kN,得到位移和应力分析图(图4~6)。

位移变化图

图4 位移变化图

Z向位移变化图

图5 Z向位移变化图

    

      由图4、图5可以看出,在转盘最大载荷工况下,位移发生的量为1.99mm,最大变形发生在转盘梁的中线,其它位置的变形量很小;从图6可知,最大应力发生在转盘梁和电机底座的焊接处为151MPa,其余单元应力较小,由分析可知在此工况下底座满足使用要求。

应力分布图

图6 应力分布图

 



3.4  额定立根载荷

       边界条件为底座基面下层全约束,额定立根载荷1800kN,均匀作用在立根盒梁上,得到位移和应力分析图(图7、图8)。

立根盒梁位移变化

图7 立根盒梁位移变化

立根盒梁应力分布

图8 立根盒梁应力分布

    

       立根盒梁在满立根工况下,发生最大位移量为2.0mm,最大位移发生在立根盒梁横梁中间部位:最大应力为152MPa,小于许用应力206MPa,符合整体强度与各个构件强度要求。


3.5  满立根+风载荷

       分析得在最大风速下风压为1.78kPa,最大风速对立根产生的力为289kN,风对底座的作用力作用在迎风面,得到位移和应力分析图(图9、图10),在分析时选择Pressurf,选中所有迎风面即可知在此工况下产生的最大位移3.2mm,满足整体刚度要求,由图10可知在此工况下的最大应力为106.9MPa,低于材料的许用应力206MPa,满足使用要求。

位移变化图

图9 位移变化图

应力分布图

图10 应力分布图

 

3.6  卡钻载荷

       井下条件难以预测,钻井过程中会卡住钻头,甚至钻头断裂,这个过程中大钩负载最大,此时全部作用力作用在底座上,如果结构失稳,损失严重,因此卡钻载荷分析很重要,设定最大力为5000kN。

       由图11得出,底座在载荷作用下产生的最大位移为1.99mm,满足底座整体的要求,载荷通过钻塔人字架传递到底座上,底座与钻塔的铰链连接处是承受载荷的主要部件,而底座的后铰链承受的应力水平高于前铰链处的应力,由图12可知,底座在载荷作用下的最大应力为134.6MPa,小于材料的需用应力206MPa。

位移变化

图11 位移变化

应力分布图

图12 应力分布图


4  结语

        以5000m钻机底座为研究对象,对底座进行简化,运用Solidworks软件建立底座实体模型,导入ANSYS Workbench,利用大规模网格划分,根据《钻井和修井结构规范》(API Spec 4F)钻机底座载荷工况,对5000m钻机底座系统进行了静态特性分析,验证了底座满足强度和使用要求。此外,本文的研究方法对于钻机底座的设计也有一定的参考价值。


姓名*
电话*
所需服务*