資源描述：
《基于ANSYS的鉆桿的有限元靜力分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學術(shù)論文-天天文庫。
1、第40卷第3期2010年5月航空計算技術(shù)AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．3Mav．2010基于ANSYS的鉆桿的有限元靜力分析鄔華明，王生楠(西北工業(yè)大學航空學院，陜西西安710072)摘要：建立了基于ANSYS的鉆桿參數(shù)化有限元仿真模型，對鉆柱的整體受力情況進行了有限元仿真分析，運用ANSYS軟件中結(jié)構(gòu)靜力學分析模塊，對鉆柱在減壓和加壓兩種回轉(zhuǎn)鉆進過程中的整體受力情況進行了分析，說明了鉆柱的整體受力過程及特點，并總結(jié)了淺井和深并兩種情況下鉆桿柱應力分布的一般規(guī)律。關(guān)鍵詞：鉆柱；有限元；仿真；受力分析；參數(shù)化模型；ANSYS中圖分類號：
2、TE921．2；0242．21文獻標識碼：A文章編號：1671—654X(2010)03—0061—04引言鉆桿的實際工況種類很多，其中回轉(zhuǎn)鉆進是鉆桿的主要工況，也是最復雜的。本文將主要對鉆桿的回轉(zhuǎn)鉆進過程進行仿真分析。在回轉(zhuǎn)鉆進過程中，引起工程界普遍關(guān)注的主要問題是鉆桿的整體受力情況。ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件。利用ANSYS軟件來建立鉆柱的力學模型，對鉆柱的整體受力情況進行分析研究，確保了對鉆柱整體受力情況的分析和求解‘2
3、。1基本假設(shè)鉆桿柱的實際工作狀態(tài)是非常復雜的，很難對鉆桿柱的實際狀態(tài)進行精確的模擬和分析。因此，在分析時有
4、必要引入了一些基本假設(shè)，對鉆桿柱狀態(tài)進行簡化模擬。對于鉆桿的受力情況分析，主要是了解鉆桿柱的整體受力情況，并確定受力點最大處的位置。所以，在ANSYS中，可以采用結(jié)構(gòu)靜力學的分析模塊來進行分析。為此，除了在有限元建模時所作的幾點基本假設(shè)外，還需引入以下基本假設(shè)：1)不考慮鉆桿柱彎曲變形的影響。2)不考慮孔壁和鉆井液對鉆桿柱的磨擦阻力。3)將鉆桿柱底部鉆頭所受的力簡化為軸向阻力及阻力矩。4)忽略鉆桿柱的動態(tài)因素、鉆井液的動力效應以收稿13期：2009-11—1l修訂日期：2010—03—05作者簡介：鄔華明(1983一)，男，陜西西安人，研究方向為固體力學。及溫度影響等。2有限元模型
5、的約束及加載2．1建立模型選取從井口到鉆頭的整體鉆柱結(jié)構(gòu)作為研究對象，利用ANSYS來進行有限元分析。首先要建立合適的幾何模型來模擬鉆柱的實際工況。由于諧響應分析是一種線性分析，所以忽略所有非線性特性HJ。鉆柱為彈性直桿，將鉆柱系統(tǒng)離散化，并將井架、吊繩和大鉤看做一彈簧，鉆柱系統(tǒng)被簡化為一彈簧一質(zhì)量一阻尼系統(tǒng)，如圖1所示：鉆一l(加鉆頭)刻地底圖1鉆柱離散單元系統(tǒng)2．1．1選擇單元根據(jù)單元特性，選取彈性直管梁單元PIPE59來模擬鉆桿、鉆鋌、轉(zhuǎn)換接頭以及扶正器。各單元的特性可通過KEYOPT選項的設(shè)置來確定，PIPE59單元的各個KEYOtyI'選項采用默認設(shè)置。ⅣⅣ寸觚越坑坑m么
6、釉勒譚啤～首：匪上桿鋌·62·航空計算技術(shù)第40卷第3期2．1．2確定單元參數(shù)單元的參數(shù)包括材料特性和實常數(shù)。單元參數(shù)有：鉆柱的彈性模量：2．1×1011Pa；鉆柱的泊松比：0．3；鉆柱的密度：(7．8～11)x103kg／m；空氣密度：1．237kg／m。2．1．3建立幾何模型鉆柱可以看作一個彈性直桿，鉆柱振動類似于一種彈簧一質(zhì)量一阻尼系統(tǒng)，即將整個鉆柱的振動簡化為多自由度系統(tǒng)，鉆頭與巖石的相互作用簡化為周期函數(shù)或隨機激勵，作為下部邊界條件。鉆柱模型較簡單，先創(chuàng)建節(jié)點，然后通過節(jié)點直接生成單元。而轉(zhuǎn)換接頭、扶正器等部位受力復雜，且鉆柱在轉(zhuǎn)換接頭處容易破壞，所以在這些部位創(chuàng)建單元較
7、密集，以便得到更精確的分析結(jié)果。2．2加載求解及后處理在確定鉆桿柱有限元模型的約束及邊界條件之前，有必要說明一下鉆桿柱所受到的主要載荷，以及實際的加載過程。對于回轉(zhuǎn)鉆進過程中的鉆桿而言，受到的載荷主要有自重、轉(zhuǎn)盤扭矩、孔口施加的軸向力、泥漿的壓力及浮力、以及鉆桿底部鉆頭所受的軸向阻力及阻力矩等。在有限元建模中。通過設(shè)置材料屬性、單元的相關(guān)實常數(shù)以及適當?shù)臄?shù)據(jù)表，已經(jīng)考慮了材料的密度、泥漿的壓力及其對鉆桿柱的浮力等因素。因此，在ANSYS里計算的鉆桿重力就是實際的懸重值，不用再去考慮泥漿的壓力及浮力了。在實際的回轉(zhuǎn)鉆進過程中，鉆壓是通過在孔口對鉆桿施加軸向力而產(chǎn)生的，其大小也就是鉆桿
8、底部鉆頭所受的軸向阻力。鉆壓的大小取決于鉆桿柱的懸重以及孔口對鉆桿施加的軸向力。反過來也可以說，鉆桿柱的懸重和鉆壓的大小決定了孔口對鉆桿施加的軸向力的大小。同理，在實際的回轉(zhuǎn)鉆進過程中，轉(zhuǎn)盤對鉆桿施加的扭矩主要取決于鉆桿底部鉆頭所受的阻力矩。兩者對鉆桿共同作用，可以視為一對平衡力矩。因此，對于鉆壓、轉(zhuǎn)盤扭矩，以及鉆桿底部鉆頭所受的軸向阻力及阻力矩的施加，可采用以下兩種方式。1)將鉆桿底部全部約束，對鉆桿的頂部施加軸向力和轉(zhuǎn)盤扭矩，那么鉆桿底部鉆頭所受的軸向阻力及阻力矩
