K型钻机井架大腿箱形截面的一种简便优化方法.pdfVIP

维普资讯 大 庆 石 油 学 院 学 报 第 28卷 第 5期 2004年 10月 JOuRNAIOFDAQINGPETROIEUM INSTITUTE VolI28 No．5 Oct． 2004 K型钻机井架大腿箱形截面的一种简便优化方法 任 国友 ，邹龙庆 ，付海龙 ，冷建成 ，刘贵海。 (1．大庆石油学院 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2．大庆石油管理局 康泰实业公 司，黑龙江 大庆 163514 ) 摘 要 ：分析了油田在役 K型石油井架大腿箱形截面的承载性能 ，定义了井架大腿截面优化参数——结构优化因数 和载荷表征因数 ，给出了井架大腿截面几何尺寸与承载能力之间的关系式 ，为该类型井架改造设计提供一种简便方法． 关 键 词：钻机井架；箱形截面；优化设计 中图分类号：TE922 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—1891(2004)05—0046—03 现场工程实践表 日月[，K型钻机井架的结构合理、稳定性好，但在使用过程存在着整体质量过大、搬迁 困难等问题．钻机井架大腿立柱采用承载性能较好的箱形截面，耗材较多，制造成本和搬运费用较高．因 此 ，在保证井架整体强度和刚度情况下，对箱形截面优化设计非常必要．通过给出数值解 或分析解 。进 行优化设计 ，计算量较大，也较为复杂．拟通过引入拉格朗 日函数求极值的方法，使求解简便，并得到带有 参数的优化解 ，找到箱形截面各参数优化值之间的关系． 1 大腿立柱箱形截面优化模型 1．1 数学模型 设 目标函数为 厂()，所要满足的等式约束条件g(X)一0，i一1，2，…， ，X为优化变量，X一(X。，X ， … ， )，则可构造拉格朗 日函数为 一 厂(x)+ ，g (x)， (1) z： 1 对式 (1)求极值 ，即求解 由(+”)个方程所组成的方程组， f口z一0 J一1，2，…，” J ， (Z) lg(X)一 0 i一 1，2，…， 式 (2)的解即为优化解 X’，它将使 目标 函数 厂()在满足约束条件下取得极值． 1．2 优化变量 大腿立柱的箱形截面见图 1．通常情况 下，上、下板厚度相等，左、右腹板厚度也相 等．取上、下板厚度 t，腹板厚度 ，箱形截面 宽度 b和高度h这 4个独立参数作为优化变 (a)人腿立梓箱形截面 (b)衔形截面简化模犁 量． 图1 大腿立柱箱形截面简化模型 为表达截面参数优化值之间的关系，引入无量纲化 比值 k。，k：，k。，将截面优化参数 b，t，h无量纲化 ， 收稿 日期：2003—12—06；审稿人：刘巨保 ；编辑 ：任志平 作者简介：任国友 (1971一)，男 ，硕士生，讲师 ，现主要从事石油井架的结构设计 、安全评定与检测方面的研究 维普资讯 第 5期 任国友等：K型钻机井架大腿箱形截面的一种简便优化方法 即 k1一 b／a，k2一 t／a，k3一 h／a． (3) I．3 目标函数 为减轻质量、节约钢材和降低产品成本，在满足石油钻机井架工作能力的条件下，以大腿立柱质量最 小为 目标函数．大腿立柱截面为等截面，其质量G=pSL，其中lD为材料密度，s为箱形截面面积，L为井架 大腿立柱长度．针对某一钻机井架建模 ，L和lD为定值，以S为 目标函数．由图 1(b)可知，S为