開題報(bào)告-修井作業(yè)機(jī)井架結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

1、 工程碩士學(xué)位論文開 題 報(bào) 告研究生姓名李耀文研究生學(xué)號(hào)G1304573工程領(lǐng)域機(jī)械工程培養(yǎng)類別全日制（） 在職（ ）論文題目修井作業(yè)機(jī)井架結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化校內(nèi)導(dǎo)師姜民政校外導(dǎo)師填寫日期 2015年 11月 15日東北石油大學(xué)研究生學(xué)院制表論文題目修井作業(yè)機(jī)井架結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化研究方向石油工程機(jī)械設(shè)計(jì)論文選題來(lái)源計(jì)劃項(xiàng)目( )、導(dǎo)師指定( )、自選課題()、其他( )論文形式產(chǎn)品研發(fā)（ ） 工程設(shè)計(jì)（） 應(yīng)用研究（ ） 工程/項(xiàng)目管理（ ） 調(diào)研報(bào)告（ ）預(yù)計(jì)論文完成日期 2015年 12月 20日學(xué)位論文主要研究?jī)?nèi)容1、闡明修井機(jī)的工作原理，根據(jù)的設(shè)計(jì)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(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模的方法，并對(duì)井架三維模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立井架結(jié)構(gòu)的有限元模型，計(jì)算其在靜力作用下的應(yīng)力應(yīng)變。3、研究適用于動(dòng)力學(xué)特性分析的各種模態(tài)提取方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，基于合理的有限元模態(tài)提取方法對(duì)井架進(jìn)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(yīng)狀態(tài)，評(píng)價(jià)其動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)。5、對(duì)井架進(jìn)行強(qiáng)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?jī)?nèi)容邏輯混亂，應(yīng)重新梳理）(靜力學(xué)分析受力是否合格，動(dòng)力學(xué)分析動(dòng)態(tài)受載是否可靠，強(qiáng)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(qǐng)你闡明你的邏輯，我可以發(fā)你參考文獻(xiàn)，看看其他人是什么邏輯)1、選題的工程背景、目的、工程應(yīng)用價(jià)值 eq oac(,1)背景：修井作業(yè)作為油氣開發(fā)過(guò)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(guò)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(shè)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(guò)修井作業(yè)來(lái)進(jìn)行如更換油管、更換井下采油設(shè)備等才能恢復(fù)油井正常作業(yè)。在油田作業(yè)中，修井機(jī)是起下管柱和更換井下工具的核心裝備。在修井作業(yè)過(guò)程中，隨著修井設(shè)備使用頻率增加和時(shí)間的增長(zhǎng)，導(dǎo)致設(shè)

4、備的加速老化，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增加；再者，新設(shè)備又未能及時(shí)補(bǔ)充到修井作業(yè)中，原有設(shè)備超期服役，會(huì)增加檢測(cè)和后期維護(hù)等費(fèi)用。通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，增產(chǎn)和修井作業(yè)次數(shù)在我國(guó)已達(dá)每年十萬(wàn)余次。（本段應(yīng)主要說(shuō)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(qǐng)闡明，不要什么也不說(shuō)) eq oac(,2)目的：修井機(jī)是油田上用來(lái)排除油井故障或調(diào)整油井參數(shù)，恢復(fù)油井正常生產(chǎn)的一種作業(yè)設(shè)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(jī)的重要部件之一，用于安放天車、游車、大鉤等起升設(shè)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(fù)雜。對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性的分析是井架設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的計(jì)算井架的方法相當(dāng)繁瑣，并且計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算誤差大。因此有必要采取一種更加快速和通用的計(jì)算方法對(duì)井架結(jié)構(gòu)受力和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)估。（本段應(yīng)主要說(shuō)明解決哪些的問題、有何意義）（紅字部分是問題，藍(lán)字部分是研究目的和意義。） eq oac(,3)工程應(yīng)用價(jià)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(jiǎn)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(jiǎn)單，而在對(duì)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(fù)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(wú)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(shè)計(jì)、制造的工藝等應(yīng)該引起重視，否則必然造成嚴(yán)重的后果。因此，對(duì)修井機(jī)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，制定有效的結(jié)構(gòu)檢測(cè)及維護(hù)方案，是修井機(jī)等石油裝備制造實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和可靠性急需解決的問題。本課題基于以上原因，針對(duì)井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(duì)井架的穩(wěn)定性和強(qiáng)度進(jìn)行分析等具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。（本段應(yīng)主要說(shuō)明產(chǎn)生的效

7、益及影響）（對(duì)其他井架的分析具有指導(dǎo)意義，對(duì)工程實(shí)際具有應(yīng)用價(jià)值，你沒給我具體參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)所，我如何估算效益？）2、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)美國(guó)、加拿大、意大利、德國(guó)、挪威和俄羅斯為國(guó)外生產(chǎn)修井機(jī)的實(shí)力最強(qiáng)的國(guó)家。主要代表有美國(guó)的 NOV 集團(tuán)（National-oilwell VACRO Group），該集團(tuán)收購(gòu)了美國(guó)大部分修井設(shè)備制造公司，是目前全球最大的鉆修設(shè)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(dāng)實(shí)力，均有自己的特色產(chǎn)品。國(guó)外修井機(jī)的主要特點(diǎn)是機(jī)型多、系列全、適應(yīng)性強(qiáng)、移運(yùn)快、易操作、集成度高。國(guó)外常規(guī)修井機(jī)近些年來(lái)基本沒有新的發(fā)展，而特殊用途的

8、修井機(jī)發(fā)展相對(duì)較快，應(yīng)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(jī)，最具特色的是采用自緊繃?yán)K方式，節(jié)省井場(chǎng)安裝時(shí)間。DRECO公司生產(chǎn)的整拖鉆修機(jī)適用于沙漠地區(qū)快速搬移，在運(yùn)輸不限高和不限寬的情況下，整機(jī)包括鉆臺(tái)和井架可一次拖運(yùn)。KREMCO 公司生產(chǎn)的斜井修井機(jī)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(jī)最大的特點(diǎn)是無(wú)絞車，采用液壓提升，單節(jié)井架，取消二層臺(tái)，單根鉆進(jìn)，頂部裝有液壓動(dòng)力回轉(zhuǎn)頭，下部裝有機(jī)械轉(zhuǎn)盤，整機(jī)工作效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，移運(yùn)

9、方便。加拿大的CARDWELL，美國(guó)的 PYRAMID MANUFACTURING、IRIINTERNATIONAL、BRANHAM INDUSTRIES 等公司所生產(chǎn)的沙漠修井機(jī)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(yùn)組裝特點(diǎn)上，分牽引車拖掛車載式、載重汽車自走運(yùn)移式、整體撬裝組合式三種；從動(dòng)力傳動(dòng)上，可將國(guó)外沙漠修井機(jī)分為發(fā)動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)）驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電能動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)三種。其中又可將拖掛沙漠修井機(jī)分為單、雙拖掛兩種修井機(jī)1-3。國(guó)外的不壓井修井作業(yè)水平趨于成熟，相關(guān)作業(yè)設(shè)備已近完善，而我國(guó)設(shè)計(jì)研發(fā)的不壓井作業(yè)設(shè)備還處在試驗(yàn)階段，且存在很多問題。目前，國(guó)外的作業(yè)機(jī)市場(chǎng)主要是大型的修井

10、機(jī)，所用到的井架一般都是經(jīng)三維(proe，Solidedeg，Solidwork等)建模和力學(xué)計(jì)算(ANSYS，I-DEAS和Algor等)后得出的。在石油鉆采設(shè)備中，如鉆井井架、作業(yè)機(jī)井架等均屬典型的由細(xì)長(zhǎng)桿件組成的空間桿系結(jié)構(gòu)。過(guò)去常常把井架簡(jiǎn)化為平面析架來(lái)計(jì)算，計(jì)算量大，誤差也很大4，近年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及有限元分析軟件的出現(xiàn)，使井架的計(jì)算逐步趨于簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確。利用ANSYS對(duì)井架進(jìn)行有限元分析，可以得到各構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變及發(fā)生的位移，但要想知道各構(gòu)件的應(yīng)力是否滿足安全性要求，還需要利用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言等高級(jí)分析技術(shù)做出進(jìn)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(chǎng)分析，在我國(guó)應(yīng)用極為廣泛。尤其在鐵道，建筑和壓力容器方面應(yīng)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(jì)算部分變化不大，只是模塊越來(lái)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(tái)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(shí)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(jì)算變得簡(jiǎn)單而精確?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)主要修井機(jī)生產(chǎn)制造廠家都掌握了修井機(jī)結(jié)構(gòu)件的有限元分析技術(shù)，通過(guò)有限元分析的熟練掌握對(duì)修井機(jī)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。國(guó)外廣受好評(píng)的有限元分析軟件，如 ANSYS、Pro/E、ABAQUS 等都是國(guó)內(nèi)廠家和科研院所重點(diǎn)引進(jìn)的

12、，通過(guò)軟件的強(qiáng)大結(jié)構(gòu)分析功能，可以對(duì)井架進(jìn)行分析，幫助實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化7。近年來(lái)，我國(guó)的研究學(xué)者也相繼開發(fā)了多種有限元分析軟件，如由鄭州機(jī)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(xué)研究開發(fā)的 JIFEX 軟件系統(tǒng)、計(jì)算所梁國(guó)平老師的 FEPG 等。上述有限元分析軟件在國(guó)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(yīng)力應(yīng)變測(cè)試機(jī)構(gòu)，將實(shí)際應(yīng)力測(cè)試值與軟件分析數(shù)據(jù)比較，以更好地驗(yàn)證分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為安全可靠，從而大大縮短結(jié)構(gòu)件從樣機(jī)到產(chǎn)品定型生產(chǎn)的時(shí)間，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)修井機(jī)的載荷均值無(wú)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(duì)修井機(jī)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(guó)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(jī)井架

14、靜強(qiáng)度有限元分析J. 科技傳播，2011， 3:151-152.4劉巨保.石油設(shè)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(yīng)用ANsys軟件分析計(jì)算鉆機(jī)井架靜應(yīng)力.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33(3):39-41.7 倪棟，段進(jìn)，徐久成. 通用有限元分析 ANSYS7.0 實(shí)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(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)的 K 形井架模型修正仿真研究J.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010， 39(9)：42-45.11 博弈創(chuàng)作室. ANSYS 經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解M. 北京：中國(guó)水利水電出版社， 2005.3、研究基礎(chǔ)大慶油田某公司正在進(jìn)行新型油井作業(yè)機(jī)開發(fā)，需要對(duì)作業(yè)機(jī)井架進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算分析，對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)

17、結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)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(chǔ)。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(gè)步驟完成：1、廣泛查閱修井機(jī)井架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究的相關(guān)文獻(xiàn)，了解該部件及附屬結(jié)構(gòu)的研究概況，以及國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jī)的工作原理，根據(jù)的設(shè)計(jì)要求及成熟產(chǎn)品，分別分析其受載荷情況。3、應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對(duì)井架三維模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立井架結(jié)構(gòu)的有限元模型，計(jì)算其在靜力作用下的應(yīng)力應(yīng)變。4、分析適用于動(dòng)力學(xué)特性分析

18、的各種模態(tài)提取方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，基于合理的有限元模態(tài)提取方法對(duì)井架進(jìn)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(jìn)行前處理、分析計(jì)算，對(duì)井架進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到位移響應(yīng)曲線。6、對(duì)井架進(jìn)行強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性分析。7、在上述分析基礎(chǔ)上，對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化是關(guān)鍵。2、靜力學(xué)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(diǎn)。（這點(diǎn)不應(yīng)該？）（不同情況，風(fēng)載荷計(jì)算，受力計(jì)算，承重計(jì)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(diǎn)。（沒指出技術(shù)關(guān)鍵）（四條關(guān)鍵，并非一定是難點(diǎn)，客戶是否用心看了）技術(shù)措施：1、應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對(duì)井架三維模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。2、根據(jù)工程實(shí)際+查資料確定井架受力狀態(tài)。3、評(píng)價(jià)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(jìn)行復(fù)核實(shí)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(duì)模型的修改進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)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(jìn)行建模。2、學(xué)校提供的有ansys計(jì)算工作站，軟硬件設(shè)施齊全。3、課題來(lái)源于工程實(shí)際，有成熟的載荷計(jì)

20、算公式和強(qiáng)度分析準(zhǔn)則。4、對(duì)于井架結(jié)構(gòu)的有限元模擬已經(jīng)有一些文獻(xiàn)和成功案例可供參考，說(shuō)明該方法得到了工程應(yīng)用人員的認(rèn)可。（過(guò)分依賴商業(yè)軟件，自己的工作在哪里？）（你還需要我去做實(shí)驗(yàn)，做工程，再回來(lái)給你寫個(gè)畢業(yè)論文么？）5、實(shí)踐/工作單位及開展的研究?jī)?nèi)容（至少填寫一個(gè)單位）長(zhǎng)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(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化是關(guān)鍵。2、靜力學(xué)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(diǎn)。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(diǎn)。解決辦法：1、應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對(duì)井架三維模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。2、根據(jù)工程實(shí)際+查資料確定井架受力狀態(tài)。3、評(píng)價(jià)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(jìn)行復(fù)核實(shí)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(duì)模型的修改進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。（不應(yīng)對(duì)技術(shù)關(guān)鍵簡(jiǎn)單拷貝，兩回事）7、預(yù)計(jì)成果可能達(dá)到的水平與結(jié)果 通過(guò)查閱各種相關(guān)的文獻(xiàn)資料，了解修井井架結(jié)構(gòu)工作原理特點(diǎn)及相關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)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(guò)ANSYS軟件建立井架