海洋石油钻机井架动力特性分析.pdfVIP

维普资讯 大 庆 石 油 学 院 学 报 第 29卷 第 3期 2005年 6月 JOURNAIOFDAQINGPETRO1EUM INSTITUTE Vo1．29 No．3 Jun． 2005 海洋石油钻机井架动力特性分析 关晓晶，周 国强，郭奕珊 (大庆石油学院秦皇岛分院 ，河北 秦皇岛 066004) 摘 要：对在役海洋石油钻机井架进行 了结构动力特性分析，井采用有限元法将钻机井架各杆件简化为空间梁单 元，对钻机井架三维计算模型进行 了离散，给出了模态分析和稳定性分析结果．分析结果表明：井架的2根前立柱是钻机 井架承载能力的薄弱环节；低阶振型反映井架的整体振动形式 ，当井架达到临界载荷时，井架结构出现失稳现象． 关 键 词：海洋石油钻机；钻机井架；结构分析 ；动力特性；有限元法 中图分类号 ：TE923 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—1891(2005)03—0053—02 海洋石油钻机井架长期受海洋气候的影响，井架各构件 自身也存在初始缺陷，同时井架受风浪作用而 产生纵摇 、横摇和升沉等现象口，在这种动力载荷作用下，研究海洋石油钻机用井架系统动力特性意义在 于：(1)根据井架系统的各阶固有振型 (以基频为主的前几阶低频振型起主要作用)可以了解井架结构的薄 弱环节和应力较大部位；(2)若井架系统的各阶频率 比接近于 1或整数倍时，系统产生内部共振；同时，发 动机等外部设备的点动频率以及风浪等外载荷的振动频率与井架系统的自振频率重合或接近时，系统产 生剧烈振动．因而，在选择系统工作参数时应予以考虑．当前海洋石油钻机井架 的研究多以静力分析[23 为主，即使作动力分析 ，也是将其简化为悬臂梁或二维模型．对于井架这种高耸钢架结构仅作二维假设 ， 或者是仅作静力分析，不能反映井架结构的力学特征． 1 计算模型 1．1 井架简介 该钻机井架为前开1：3型 ，井架总高度为45．01TI，底部宽度为7．41TI，顶部宽度为 2．31TI．从上到下由5 段焊接结构组成 ，各部分结构用螺栓连接．各杆件材质为 16Mn，共有 24种截面尺寸． 1．2 力学模型 分析时采用有限单元法 ，进行有限元离散之前作假设 ： (1)井架为刚架结构，各杆件之间焊接可靠，为刚性连接； (2)井架工作时底部与支座不发生相对移动或转动，为固定支座； (3)忽略二层台、天车及底部连接等附属结构的影响． 将井架各杆件简化为具有 6个 自由度的空间梁单元．计算时用 1个单元代表 1根杆件 ，单元与单元 之间的公共点即为节点．整个井架按其结构划分为412个单元 ，197个节点，其中有6个约束铰支点(分别 位于支脚处和人字架支脚处)，其余为刚性节点． 2 模态分析 2．1 理论依据 系统的结构模态表示其无阻尼 自由振动时的各阶固有振动频率及其相应的固有振型，也是振动系统 收稿 日期 ：2005—01—13；审稿人 ：李 国义 ；编辑 ：任志平 作者简介：关晓晶(1960一)，女，副研究员．主要从事石油机械结构分析及测试技术方面的研究 维普资讯 大 庆 石 油 学 院 学 报 第29卷 2005年 特性的一种表征，由系统的特征值和特征向量确定．根据井架的实际工作状态，其无阻尼 自由振动的动力 平衡方程为 Mu + Ku = 0 ． (1) 弹性体的 自由振动可以分解成一系列的简谐振动的迭加，设简谐振动的形式为 ll一 ~sin(mt)， (2) 式 (1—2)中：K为线弹性刚度矩阵；M 为质量矩阵；6为节点位移；ll为节点振幅列阵(或称振动