ＴｈｅＦｏｒｕｍｏｆＹｉｎｇｃａｉＨｉｇｈｅｒＶｏｃａｔｉｏｎａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ
（总第９期）２００７年第４期
２００７Ｎｏ．４（ＳｅｒｉａｌＮｏ．９）
基于ＡＮＳＹＳ的井架仿真测试方法研究＊
刘
芬
２５０１０）
（山东英才职业技术学院机械制造及自动化工程学院，山东济南
摘要：本文介绍了利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对钻机井架进行仿真测试的方法，并与现场测试方法进行分析比较，验证了仿真测试方法获得的数据真实可靠，且该方法在各个方面优于现场测试。
关键词：ＡＮＳＹＳ；有限元；仿真测试；钻机井架
对于油田正在服役的钻井井架，使用一定时间后，按照“石油中华人民共和国石油天然气行业标准ＳＹ／Ｔ６３２６－１９９７钻井用井架承载能力检测评定方法”规定，必须进行井架承载能力的检测和评估。
井架现场载荷试验一般是通过测量井架的应力、位移及结构动态特征，确定在用井架的安全承载能力。但由于现场测试不可能对井架上各杆件都布置测点，试验载荷受工况条件限制，大大低于井架设计载荷。另外，现场加载试验难以考虑风载对井架承载能力的影响。因此，现场测试方法有很大的局限性，不能全面测试钻机井架的各种恶劣工况。近年来，随着计算机技术的不断发展和有限元分析软件的逐步完善，基于有限元软件的井架承载能力计算逐步走向成熟，井架测试手段的现代化程度也不断提高。本文提出一种基于有限元分析软件ＡＮＳＹＳ的仿真测试方法，该方法相对于现场测试方法有操作简单方便、计算全面、可进行整体分析等特点。并通过对同一井架分别进行计算机仿真测试和现场测试，来验证仿真测试方法的真实可信度。
型通用有限元分析软件。可广泛用于结构的静力分析、模态分析、谐波分析、瞬态分析、屈曲分析、断裂力学分析、疲劳分析、动力分析、热分析、磁场分析、流场分析等工程服务及科学研究。ＡＮＳＹＳ软件每一个程序的发布都经过严格的测试，具有极大的可信度。在各种有限元件中，算法都已基本成熟，而ＡＮＳＹＳ前后处理器却独领风骚。
２．基于ＡＮＳＹＳ的计算机仿真测试方法
利用ＡＮＳＹＳ可以对井架进行静力计算、动力计算、稳定性计算、模态分析、几何非线性分析等方面的研究。对于钻机选择正确的单元井架的有限元计算，建立合理的计算模型、
及计算理论，是获得可信计算结果的技术关键。从总体的计算方法考虑，钻机井架可以按实体建模计算，也可以按线性单元模型计算。根据钻机井架的结构特性，本文将井架考虑成为空间刚架结构，故采用线性单元计算模型。
（１）建立模型
①建立节点：钻机井架各杆件的连接点在ＡＮＳＹＳ中体
现为节点。利用钻机井架的工程图，根据井架受力原理，合理简化井架模型，选择简化后的井架各杆件连接点的坐标，直接通过有限元分析软件ＡＮＳＹＳ的前处理建立节点；
１．有限元分析软件ＡＮＳＹＳ简介
井架整体的静力计算多采用有限元法，有限元法是目前最有效的一种结构分析方法，而ＡＮＳＹＳ又是全球应用最广的有限元分析软件。利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，对钻机井架进行加载仿真，是目前获得井架承载能力的最有效方法之一。
②建立单元：因为井架各杆件既承受轴向力又承受弯
矩，所以选用三维弹性梁单元ＢＥＡＭ４作为单元类型。通过已建立的节点直接连线，生成线性单元；
③设置材料属性：弹性模量为２．１Ｅ１１Ｎ／ｍ２，钢件密度为７８００ｋｇ／ｍ３，泊松比为０．３；
④设置单元实常数：在梁单元分析模型中，需要输入的
实常数包括截面面积（ＡＲＥＡ）、（ＩＺＺ）、Ｚ轴的惯性矩Ｙ轴的
ＡＮＳＹＳ软件是美国ＡＮＳＹＳ公司开发的分析软件，是世
界公认的优秀分析软件之一。
热、流体、电磁、声学于一体的大ＡＮＳＹＳ软件是融结构、
＊收稿日期：２００７－０８－１７
作者简介：刘芬（１９８１－），女，硕士，山东英才职业技术学院机械制造及自动化工程学院教师。
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惯性矩（ＩＹＹ）、Ｚ方向梁的厚度（ＴＫＺ）、Ｙ方向梁的厚度（ＴＫＹ）以及梁的线质量（ＡＤＤＭＡＳ）。单元实常数可查机械手册或根据材料力学公式计算求得。
图１为钻机井架模型图，该模型包含１０３个节点和
２１８个单元。
图１
井架加载测试布片方案图
（２）井架约束
井架约束是有限元分析的边界条件，在ＡＮＳＹＳ中是作为位移载荷来处理，包括３个位移约束和３个转动约束，分别是ＵＸ、ＵＹ、ＵＺ、ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ、ＲＯＴＺ。对井架与人字架支点处的铰支点全约束，对井架支脚处的铰支点约束为除了
ＲＯＴＸ之外的其他约束。
（３）井架加载
在ＡＮＳＹＳ分析中，可以施加多种方式的载荷，如大钩载荷、风载、立根载荷等。由于实际测试模型井架的环境为室内，所以无法测试风载；模型井架未加立根，所以无法加立根载荷。在本次仿真测试中的计算工况为无立根、无风载、大钩加５０ＫＮ的大钩载荷。
（４）结果处理
井架有限元仿真的目的是获取有价值的结果，以便对井架的承载能力进行评价分析。ＡＮＳＹＳ在后处理中，可以输出整体坐标下节点力，包括Ｘ，Ｙ，Ｚ三个方向的力和弯矩（ＦＸ、ＦＹ、ＦＺ、ＭＸ、ＭＹ、ＭＺ）和整体坐标下节点位移，包括Ｘ，Ｙ，Ｚ三个方向位移（ＵＸ、ＵＹ、ＵＺ、ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ、ＲＯＴＺ）。
三维弹性梁ＢＥＡＭ４单元杆件应力输出，是以线单元的两个节点为目标的。完整的单元一个节点应力输出包括：（轴向应力：ＳＤＩＲ）、（＋Ｙ弯曲应力：ＳＢＹＴ）、（－Ｙ弯曲应力：
ＳＢＹＢ）、（＋Ｚ弯曲应力：ＳＢＺＴ）、（－Ｚ弯曲应力：ＳＢＺＢ），输出应
力示意图见图２。另外，三维弹性梁ＢＥＡＭ４可以输出单元杆
件两个节点（Ｉ，Ｊ）的重要应力参量：ＳＭＡＸ（最大应力）和ＳＭＩＮ
（最小应力），最大应力由轴向应力加弯曲应力获得，最小应力由轴向应力减弯曲应力获得。最大应力和最小应力是用于评价井架承载能力的重要指标。
图２三维弹性梁ＢＥＡＭ４应力输出
在各种参数设置完毕后，进行计算求解，求解完毕后取出井架单元应力结果，即上面所说的最大应力和最小应力。每个单元包含２个节点，每个节点都有最大应力和最小应力，取出绝对值最大的应力列表。具体与测量点相关的仿真
计算数据见表１。
３．现场测试方法
利用某实验室现有的一套Ｋ型模型井架，完成一次井架承载能力实验。该井架是按１：２．５缩小的Ｋ型井架。测试内容为对井架承受大钩载荷工况下进行的静态测试。
（１）测试环境
井架测试时需要一定的检测环境，该检测井架放置在试验室中，无雨、无雪、无风，检测温度２５℃，符合检测环境条件。
（２）测试仪器
ＵＣＡＭ－１０Ａ数字式记录仪１台，ＵＳＢ－５１Ａ万能扫描箱２台，ＴＤＪ２型光学经纬仪２台及稳压电源等。测量前，需要
对测试系统进行校准，测量后应复校。
（３）测试布点
对实验井架布置布置了４８个测试点，具体布点位置示意图如图１所示，分上、中、下三段，每段各布１６个测试点。
（４）测试工况
对井架顶端施加大钩载荷，载荷为５０ＫＮ的重力，反复起升３次，分别记录各点测量值。
（５）测量数据分析
本次井架测试中，共测试了４８个静态测量点，其中有效测点４６个，２个测点应变片失效。取出３次起升的应力值，计算平均值见表１。
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表１大模型Ｋ型井架测试值与仿真计算值对比（加载：５０ｋＮ）（单位：ＭＰａ）
４．实际测量值与仿真测量值对比分析
在大模型Ｋ型井架计算模型中找到与测量点相对应的单元杆件，一个单元对应４个测试点，大模型Ｋ型井架测试值与仿真计算值对比结果如表１所示。
根据表１结果，测试值与计算值的对比结论如下：
⑤测量值布点有限，测得的值也有限，本试验中只有４８个测点，不能全面考核井架的各杆件的承载能力。仿真计
算可以计算出所有的单元应力，便于进行整体分析。
５．结论
（１）仿真计算的数据大部分与测试值相差不大，仿真计算真实可靠。
（２）仿真计算相对于现场测试方法有操作简单方便、计算全面、可进行整体分析等特点。
①测试值与计算值总体应力分布规律相同，井架前大
腿的应力大于后大腿。
②大多数计算值高于测试值，原因与测点布片方案有
关，在大模型井架测试中，工字钢的布片分布于两翼的两侧，所测得的应力为边界应力，其有限元计算值所获得的结果为主体应力。
参考文献：
（编著）．钻井机械的设计计算［Ｍ］．北京：石油工业［１］陈如恒，沈家骏出版社，１９９５．
③前大腿的测量值与模型计算值相差不大，只有测量
点３３－３６的测量值过小；后大腿的测量值与模型计算值相差非常大。
［２］中华人民共和国石油天然气行业标准ＳＹ／Ｔ６３２６－１９９７石油钻井用井架承载能力检测评定方法［Ｓ］．
④因为井架为对称模型，所以左右大腿的应力值原则
上相同，表１中的测量值与模型计算值也都有这个规律，模型测量值更加明显。
［３］陈爱民，刘锦盛．ＺＪ３０／１７００ＣＺ钻机井架设计中有限元分析软件的应用［Ｊ］．江汉石油学院学报，２００３，（２５）．
［４］刘涛，杨凤鹏．精通ＡＮＳＹＳ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＤｅｒｒｉｃｋｓＴｅｓｔｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳ
ＬＩＵＦｅｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｄｏｎｇＹｉｎｇｃａｉＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎａｎ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２５０１０４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｏｎｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳｆｏｒｄｅｒｒｉｃｋｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｉｔｗｉｔｈｔｈｅｓｉｔｅｔｅｓｔｉｎｇ，ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｉｓｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｍｏｒｅｆａｖｏｒａｂｌｅｔｈａｎｔｈｅｓｉｔｅｔｅｓｔｉｎｇｉｎｅｖｅｒｙａｓｐｅｃｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｅｒｒｉｃｋ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
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