開題報告-修井作業(yè)機井架結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

1、 工程碩士學位論文開 題 報 告研究生姓名李耀文研究生學號G1304573工程領(lǐng)域機械工程培養(yǎng)類別全日制（） 在職（ ）論文題目修井作業(yè)機井架結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化校內(nèi)導師姜民政校外導師填寫日期 2015年 11月 15日東北石油大學研究生學院制表論文題目修井作業(yè)機井架結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化研究方向石油工程機械設計論文選題來源計劃項目( )、導師指定( )、自選課題()、其他( )論文形式產(chǎn)品研發(fā)（ ） 工程設計（） 應用研究（ ） 工程/項目管理（ ） 調(diào)研報告（ ）預計論文完成日期 2015年 12月 20日學位論文主要研究內(nèi)容1、闡明修井機的工作原理，根據(jù)的設計要求及成熟產(chǎn)品，分別分析其受載

2、荷情況。2、研究用SolidWorks軟件對井架結(jié)構(gòu)進行三維建模的方法，并對井架三維模型進行合理簡化，建立井架結(jié)構(gòu)的有限元模型，計算其在靜力作用下的應力應變。3、研究適用于動力學特性分析的各種模態(tài)提取方法及其優(yōu)缺點，基于合理的有限元模態(tài)提取方法對井架進行模態(tài)分析，得到各階固有頻率，分析其各階模態(tài)和振型。4、研究井架結(jié)構(gòu)在不同載荷情況下的諧響應狀態(tài)，評價其動態(tài)位移響應。5、對井架進行強度校核和穩(wěn)定性分析。6、研究井架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，提出改善受力狀況的合理方案。（研究內(nèi)容邏輯混亂，應重新梳理）(靜力學分析受力是否合格，動力學分析動態(tài)受載是否可靠，強度校核確定結(jié)構(gòu)使用安全性，最后優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，這樣的邏

3、輯不合理，那請你闡明你的邏輯，我可以發(fā)你參考文獻，看看其他人是什么邏輯)1、選題的工程背景、目的、工程應用價值 eq oac(,1)背景：修井作業(yè)作為油氣開發(fā)過程中的增產(chǎn)措施工藝，是保障油、水、氣井正常工作、油氣資源得以充分開發(fā)的重要施工環(huán)節(jié)。油、水、氣井在開發(fā)過程中，常見的損壞有兩種：一是結(jié)構(gòu)性損害，如油套管的斷裂以及油管絲扣的損壞等；二是注采設備損壞，如抽油泵的磨損失效以及抽油桿的斷裂等。出現(xiàn)故障后，只有通過修井作業(yè)來進行如更換油管、更換井下采油設備等才能恢復油井正常作業(yè)。在油田作業(yè)中，修井機是起下管柱和更換井下工具的核心裝備。在修井作業(yè)過程中，隨著修井設備使用頻率增加和時間的增長，導致設

4、備的加速老化，作業(yè)風險增加；再者，新設備又未能及時補充到修井作業(yè)中，原有設備超期服役，會增加檢測和后期維護等費用。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，增產(chǎn)和修井作業(yè)次數(shù)在我國已達每年十萬余次。（本段應主要說明存在的問題）(紅字部分已經(jīng)寫明了存在的問題，如果你自己有什么其他想法，請闡明，不要什么也不說) eq oac(,2)目的：修井機是油田上用來排除油井故障或調(diào)整油井參數(shù)，恢復油井正常生產(chǎn)的一種作業(yè)設備，可以完成油井起下管柱、更換井下工具、深井試油等修井作業(yè)。井架是作業(yè)機的重要部件之一，用于安放天車、游車、大鉤等起升設備和工具，承受起下鉆、下套管及其它作業(yè)產(chǎn)生的載荷，提供起下鉆及存放管柱操作的高度與空間，是一種

5、桅形伸縮結(jié)構(gòu)，屬于典型的桿系結(jié)構(gòu)，受力和使用工況復雜。對其進行靜強度校核和穩(wěn)定性的分析是井架設計中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的計算井架的方法相當繁瑣，并且計算時間長，計算誤差大。因此有必要采取一種更加快速和通用的計算方法對井架結(jié)構(gòu)受力和動態(tài)性能進行評估。（本段應主要說明解決哪些的問題、有何意義）（紅字部分是問題，藍字部分是研究目的和意義。） eq oac(,3)工程應用價值：在修井作業(yè)領(lǐng)域，常用的井架有兩種：車載式井架和固定式井架。在一些簡單的作業(yè)比如油水井的增產(chǎn)增注作業(yè)，使用固定式井架較為簡單，而在對油井的大修作業(yè)中需要用到車載式井架。車載式井架大致可分為 700kN、900kN、1020kN、135

6、0kN、1580kN和2250kN 等幾種負荷，17m、21m、29m和35m是修井井架的幾種高度規(guī)格。井架在修井作業(yè)中的地位是無可替代的，其是影響修井作業(yè)效率的關(guān)鍵部件，包括結(jié)構(gòu)、搬移方式、作業(yè)布置等都能夠影響修井作業(yè)效率。因此，井架結(jié)構(gòu)的設計、制造的工藝等應該引起重視，否則必然造成嚴重的后果。因此，對修井機井架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究，制定有效的結(jié)構(gòu)檢測及維護方案，是修井機等石油裝備制造實現(xiàn)經(jīng)濟性和可靠性急需解決的問題。本課題基于以上原因，針對井架的結(jié)構(gòu)設計、優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)分析方面做出了探討及解決方案，針對井架的穩(wěn)定性和強度進行分析等具有現(xiàn)實指導意義，具有重要的工程應用價值。（本段應主要說明產(chǎn)生的效

7、益及影響）（對其他井架的分析具有指導意義，對工程實際具有應用價值，你沒給我具體參數(shù)和應用場所，我如何估算效益？）2、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)美國、加拿大、意大利、德國、挪威和俄羅斯為國外生產(chǎn)修井機的實力最強的國家。主要代表有美國的 NOV 集團（National-oilwell VACRO Group），該集團收購了美國大部分修井設備制造公司，是目前全球最大的鉆修設備制造商；加拿大皇冠公司和意大利的 SOILMEC（索伊麥克）公司同樣具有相當實力，均有自己的特色產(chǎn)品。國外修井機的主要特點是機型多、系列全、適應性強、移運快、易操作、集成度高。國外常規(guī)修井機近些年來基本沒有新的發(fā)展，而特殊用途的

8、修井機發(fā)展相對較快，應用了很多新技術(shù)、新理念。SOILMEC 公司生產(chǎn)的 MR 系列半拖掛修井機，最具特色的是采用自緊繃繩方式，節(jié)省井場安裝時間。DRECO公司生產(chǎn)的整拖鉆修機適用于沙漠地區(qū)快速搬移，在運輸不限高和不限寬的情況下，整機包括鉆臺和井架可一次拖運。KREMCO 公司生產(chǎn)的斜井修井機能在井眼上方所需的任意角度上就位，并具有良好的穩(wěn)定性，配有頂驅(qū)裝置和管具操作系統(tǒng)，司鉆室集中控制。GEFCO公司生產(chǎn)的最新型 SPEEDSTAR 185K 全液壓修井機最大的特點是無絞車，采用液壓提升，單節(jié)井架，取消二層臺，單根鉆進，頂部裝有液壓動力回轉(zhuǎn)頭，下部裝有機械轉(zhuǎn)盤，整機工作效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，移運

9、方便。加拿大的CARDWELL，美國的 PYRAMID MANUFACTURING、IRIINTERNATIONAL、BRANHAM INDUSTRIES 等公司所生產(chǎn)的沙漠修井機已經(jīng)在全球各地得到了廣泛的推廣和使用。從搬遷轉(zhuǎn)運組裝特點上，分牽引車拖掛車載式、載重汽車自走運移式、整體撬裝組合式三種；從動力傳動上，可將國外沙漠修井機分為發(fā)動機（柴油機）驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電能動力機驅(qū)動三種。其中又可將拖掛沙漠修井機分為單、雙拖掛兩種修井機1-3。國外的不壓井修井作業(yè)水平趨于成熟，相關(guān)作業(yè)設備已近完善，而我國設計研發(fā)的不壓井作業(yè)設備還處在試驗階段，且存在很多問題。目前，國外的作業(yè)機市場主要是大型的修井

10、機，所用到的井架一般都是經(jīng)三維(proe，Solidedeg，Solidwork等)建模和力學計算(ANSYS，I-DEAS和Algor等)后得出的。在石油鉆采設備中，如鉆井井架、作業(yè)機井架等均屬典型的由細長桿件組成的空間桿系結(jié)構(gòu)。過去常常把井架簡化為平面析架來計算，計算量大，誤差也很大4，近年來，由于電子計算機的廣泛應用以及有限元分析軟件的出現(xiàn)，使井架的計算逐步趨于簡便、準確。利用ANSYS對井架進行有限元分析，可以得到各構(gòu)件的應力、應變及發(fā)生的位移，但要想知道各構(gòu)件的應力是否滿足安全性要求，還需要利用APDL參數(shù)化設計語言等高級分析技術(shù)做出進一步的分析比較5。Ansys有限元分析軟件能夠完

11、成多物理場分析，在我國應用極為廣泛。尤其在鐵道，建筑和壓力容器方面應用較多。盡管目前ANSYS己經(jīng)發(fā)展成很多版本，但它們核心的計算部分變化不大，只是模塊越來越多。在ANSYS中提供了很多類型的體素，如立方體、圓柱體、球體和圓錐臺等，只要輸入與這些體素相關(guān)的關(guān)鍵尺寸便可以直接生成它們的實體模型6。隨著形形色色的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件的出現(xiàn)，使得井架的分析計算變得簡單而精確?，F(xiàn)今國內(nèi)主要修井機生產(chǎn)制造廠家都掌握了修井機結(jié)構(gòu)件的有限元分析技術(shù)，通過有限元分析的熟練掌握對修井機發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。國外廣受好評的有限元分析軟件，如 ANSYS、Pro/E、ABAQUS 等都是國內(nèi)廠家和科研院所重點引進的

12、，通過軟件的強大結(jié)構(gòu)分析功能，可以對井架進行分析，幫助實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化7。近年來，我國的研究學者也相繼開發(fā)了多種有限元分析軟件，如由鄭州機械研究所等三家公司共同開發(fā)的紫瑞 CAE 軟件、大連理工大學研究開發(fā)的 JIFEX 軟件系統(tǒng)、計算所梁國平老師的 FEPG 等。上述有限元分析軟件在國內(nèi)都產(chǎn)生了一定的影響。大多數(shù)廠商都建立了鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的應力應變測試機構(gòu)，將實際應力測試值與軟件分析數(shù)據(jù)比較，以更好地驗證分析數(shù)據(jù)的準確性，使鋼結(jié)構(gòu)的設計更為安全可靠，從而大大縮短結(jié)構(gòu)件從樣機到產(chǎn)品定型生產(chǎn)的時間，國內(nèi)科研機構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)修井機的載荷均值無一例外都服從正態(tài)分布，而幅值遵循威布爾分布的原理，這將非常

13、有利于對修井機的可靠性分析8-11。1 Wang Hui， Zu Ning. Finite element analysis of oil derrick on the mechanicalproperties based on ANSYSC. 2nd International Conference on InformationScience and Engineering， ICISE2010， 12: 1189-1191.2 鄒龍慶，付海龍，任國友，等. 基于 IDEAS 的石油井架模態(tài)分析J. 鉆井工程，2005， 20(7)：59-613 楊宏山，王明階. XJ-650 型修井機井架

14、靜強度有限元分析J. 科技傳播，2011， 3:151-152.4劉巨保.石油設備有限元分析.北京:石油工業(yè)出版社，19%.5ANSYS Advanced analysis techniques reference.http:.2002-12-16.6張波，呂圣仕.應用ANsys軟件分析計算鉆機井架靜應力.石油礦場機械，2004，33(3):39-41.7 倪棟，段進，徐久成. 通用有限元分析 ANSYS7.0 實例精解M. 第一版.北京：電子工業(yè)出版，2003：181-1868 Liu Zhi， Yao Ke， Wu Di， Li Dong， Fu Jiuyan， Wu Jinxia. Th

15、e finite element analysis of static strength of workover derrick by truckC. 2012 2nd International Conference on Frontiers of Manufacturing Science and Measuring Technology， ICFMM 2012， 918-922.9 Zhu Juan， Zou LongQing， Fu HaiLong. Feasibility design of derrick anchor pile piling position based on A

16、NSYS optimizationC. 4th International Conference on Manufacturing Science and Engineering， ICMSE 2013， 3:246-250.10 魏遼，顏廷俊，劉宇. 基于應力測試數(shù)據(jù)的 K 形井架模型修正仿真研究J.石油礦場機械，2010， 39(9)：42-45.11 博弈創(chuàng)作室. ANSYS 經(jīng)典產(chǎn)品基礎教程與實例詳解M. 北京：中國水利水電出版社， 2005.3、研究基礎大慶油田某公司正在進行新型油井作業(yè)機開發(fā)，需要對作業(yè)機井架進行強度及穩(wěn)定性計算分析，對傳統(tǒng)設計計算方法的計算結(jié)果進行驗證并對現(xiàn)有設計

17、結(jié)構(gòu)提出改進意見。具體模型的參數(shù)和載荷數(shù)據(jù)等都有現(xiàn)成的模型可供參考。這些都可以作為本課題的研究基礎。4、擬采用的研究方案（包括技術(shù)路線、技術(shù)措施、技術(shù)關(guān)鍵）及可行性分析技術(shù)路線：主要分以下7個步驟完成：1、廣泛查閱修井機井架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)特性研究的相關(guān)文獻，了解該部件及附屬結(jié)構(gòu)的研究概況，以及國內(nèi)外對井架結(jié)構(gòu)的研究方法和主要研究成果，確定課題研究方案。2、了解修井機的工作原理，根據(jù)的設計要求及成熟產(chǎn)品，分別分析其受載荷情況。3、應用SolidWorks軟件對井架結(jié)構(gòu)進行三維建模，并對井架三維模型進行合理簡化，建立井架結(jié)構(gòu)的有限元模型，計算其在靜力作用下的應力應變。4、分析適用于動力學特性分析

18、的各種模態(tài)提取方法及其優(yōu)缺點，基于合理的有限元模態(tài)提取方法對井架進行模態(tài)分析，得到各階固有頻率，分析其各階模態(tài)和振型。5、利用ANSYS有限元軟件進行前處理、分析計算，對井架進行諧響應分析，得到位移響應曲線。6、對井架進行強度校核和穩(wěn)定性分析。7、在上述分析基礎上，對井架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提出改善受力狀況的合理方案。技術(shù)關(guān)鍵：1、如何對模型進行簡化是關(guān)鍵。2、靜力學分析中井架結(jié)構(gòu)在不同情況下的受載情況是研究的難點。（這點不應該？）（不同情況，風載荷計算，受力計算，承重計算以及載荷的組合，不是需要公式和手算的技術(shù)關(guān)鍵？）3、模態(tài)分析中求解方法的選擇和約束條件的處理。4、優(yōu)化方法中的優(yōu)化方案確定是最重

19、要的關(guān)鍵點。（沒指出技術(shù)關(guān)鍵）（四條關(guān)鍵，并非一定是難點，客戶是否用心看了）技術(shù)措施：1、應用SolidWorks軟件對井架結(jié)構(gòu)進行三維建模，并對井架三維模型進行合理簡化。2、根據(jù)工程實際+查資料確定井架受力狀態(tài)。3、評價各種模態(tài)分析中求解方法的優(yōu)劣，結(jié)合ansys軟件邊界條件施加方式進行復核實際的約束條件的處理。4、采用ansysWorkbench中的opt優(yōu)化分析模塊結(jié)合對模型的修改進行參數(shù)優(yōu)化計算?？尚行苑治觯?、SolidWorks軟件是成熟的三維建模工具，而且井架參數(shù)都已經(jīng)確定，可以進行建模。2、學校提供的有ansys計算工作站，軟硬件設施齊全。3、課題來源于工程實際，有成熟的載荷計

20、算公式和強度分析準則。4、對于井架結(jié)構(gòu)的有限元模擬已經(jīng)有一些文獻和成功案例可供參考，說明該方法得到了工程應用人員的認可。（過分依賴商業(yè)軟件，自己的工作在哪里？）（你還需要我去做實驗，做工程，再回來給你寫個畢業(yè)論文么？）5、實踐/工作單位及開展的研究內(nèi)容（至少填寫一個單位）長城鉆探鉆井三公司6、可能遇到的技術(shù)難題及解決辦法技術(shù)難題：1、如何對模型進行簡化是關(guān)鍵。2、靜力學分析中井架結(jié)構(gòu)在不同情況下的受載情況是研究的難點。3、模態(tài)分析中求解方法的選擇和約束條件的處理。4、優(yōu)化方法中的優(yōu)化方案確定是最重要的關(guān)鍵點。解決辦法：1、應用SolidWorks軟件對井架結(jié)構(gòu)進行三維建模，并對井架三維模型進行合理簡化。2、根據(jù)工程實際+查資料確定井架受力狀態(tài)。3、評價各種模態(tài)分析中求解方法的優(yōu)劣，結(jié)合ansys軟件邊界條件施加方式進行復核實際的約束條件的處理。4、采用ansysWorkbench中的opt優(yōu)化分析模塊結(jié)合對模型的修改進行參數(shù)優(yōu)化計算。（不應對技術(shù)關(guān)鍵簡單拷貝，兩回事）7、預計成果可能達到的水平與結(jié)果 通過查閱各種相關(guān)的文獻資料，了解修井井架結(jié)構(gòu)工作原理特點及相關(guān)計算標準規(guī)范，比較其各種結(jié)構(gòu)類型，并分析結(jié)構(gòu)特征，通過ANSYS軟件建立井架