前開口鉆井井架設(shè)計(jì)摘要井架是石油鉆井設(shè)備中重要的設(shè)備，它在鉆井過程中用于安放和懸掛天車，游車，大鉤等起升設(shè)備與工具，以及起下、存放鉆桿、油管或抽油管。在泛調(diào)研當(dāng)前鉆井井架發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)后，確定了前開口井架的結(jié)構(gòu)形式。本次設(shè)計(jì)井架總體結(jié)構(gòu)采用五段焊接件，用圓錐銷連接，既具有良好的移運(yùn)性，又便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。隨后確定了三種井架工況組合，綜合應(yīng)用相關(guān)力學(xué)方面的知識(shí)對(duì)各種工況下的載荷進(jìn)行分析計(jì)算，得出井架所受的載荷，建立井架分析的力學(xué)模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元分析的要求，對(duì)井架進(jìn)行網(wǎng)格剖分，用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，井架的強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求。最后進(jìn)行井架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性校核和銷軸與耳板校核。關(guān)鍵詞前開口井架、結(jié)構(gòu)有限元分析、鉆井設(shè)備HATCHEDINTHEFRONTDERRICKDESIGNABSTRACTDERRICKISONEOFTHEMOSTIMPORTANTEQUIPMENTINDRILLINGMACHINEAFTERTHEWIDESPREADINVESTIGATIONANDSTUDYCURRENTWELLDRILLINGDEVELOPMENTCONDITION,HASDETERMINEDTHEDERRICKKSTRUCTURALSTYLETHISDESIGNDERRICKOVERALLSTRUCTUREUSESFIVESECTIONSOFWELDMENTS,WITHCONFORMFORELOCKJOINT,BOTHHASTHEGOODPORTAGENATURE,ANDISADVANTAGEOUSFORTHESCENEINSTALLMENTACCORDINGTOTHEAPISTANDARDANDTHENATIONALSTANDARD,HADDETERMINEDTHREEKINDOFDERRICKSOPERATINGMODESCOMBINATION,CARRIESONTHEANALYSISCOMPUTATIONEACHKINDOFOPERATINGMODELOAD,OBTAINSTHEDERRICKTORECEIVEDTHELOAD,ESTABLISHESMECHANICSMODELWHICHTHEDERRICKANALYZESACCORDINGTOTHESTRUCTUREFINITEELEMENTANALYSISREQUEST,CARRIESONTHEGRIDTOTHEDERRICKTOCUTINHALF,CARRIESONTHECOMPUTATIONWITHANSYSSOFTWARE,THECOMPUTEDRESULTINDICATED,THEDERRICKINTENSITY,THERIGIDITYSATISFYTHEDESIGNREQUESTFINALLYCARRIESONTHEDERRICKOVERALLCONSTRUCTIONSTABILITYEXAMINATIONANDSELLSTHEAXISAURICLEEXAMINATIONKEYWORDSHATCHEDINTHEFRONTDERRICK,FINITEELEMENTANALYSIS,DRILLINGMACHINE目錄第一章緒論1第二章井架的結(jié)構(gòu)方案521井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)522井架桿件的截面選擇623井架材料的選擇724井架各桿件幾何尺寸的確定725井架整體框架結(jié)構(gòu)的確定9第三章載荷分析與計(jì)算1031井架載荷基本定義及其計(jì)算方法1032井架的載荷組成12第四章井架的強(qiáng)度、剛度分析計(jì)算1641ANSYS軟件簡(jiǎn)介1642有限元分析方法的基本思想和分析步驟1743有限元法分析井架的基本原理1844井架結(jié)構(gòu)有限元靜力分析1845節(jié)點(diǎn)、載荷的計(jì)算2046ANSYS54程序的數(shù)據(jù)輸入28第五章井架的穩(wěn)定性校核4551井架整體穩(wěn)定性校核4552繞X軸的整體穩(wěn)定性校核4553繞Y軸的整體穩(wěn)定性校核47第六章井架連接處銷軸、耳板的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核計(jì)算4961井架與井架底座連接處銷軸與耳板的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核4962人字架與井架主體連接處銷軸與耳板的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核5163井架各主體的銷軸、耳板的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核53小結(jié)55參考文獻(xiàn)56致謝57第一章緒論石油和天然氣是寶貴的能源和化工原料，是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的“血液”，是當(dāng)今最重要的能源之一。它與人們的衣食住行密切相關(guān)，它是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的標(biāo)準(zhǔn)，它能夠影響一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的發(fā)展，直接影響到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定，更能導(dǎo)致一個(gè)國(guó)家或地區(qū)政治經(jīng)濟(jì)的安定。它們埋藏在地下幾百米、上千米甚至超過萬米的巖層中。為了尋找油氣藏，開采石油天然氣，需要鉆井，需要一整套俗稱鉆機(jī)的鉆井機(jī)械及設(shè)備。而鉆井井架又是石油鉆機(jī)的重要組成部分，用于安放天車、游車大鉤等起升設(shè)備與工具，承受起下鉆、下套管及其他作業(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，是一大型復(fù)雜的金屬鋼架結(jié)構(gòu)，其桿件多、受力復(fù)雜，。近年來，隨著不同地貌條件和地質(zhì)條件下的油氣天的勘探開發(fā)，以及鉆井深度的不斷增加，國(guó)內(nèi)外正在不斷地設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)、自動(dòng)化程度更高的各種鉆機(jī)，這對(duì)井架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求會(huì)越來越高，同時(shí)提高可靠性，降低成本，對(duì)井架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)變的越來越重要，因此針對(duì)這種現(xiàn)狀本文將對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)研究井架結(jié)構(gòu)組成1）井架主體空間桁架結(jié)構(gòu)，是承受載荷的支柱和安放其他設(shè)備的基礎(chǔ)，通常上部截面小，下部截面大，鋼件之間采用焊接或螺栓連接；2）天車臺(tái)用于安置天車和天車架，位于井架頂部；3）二層臺(tái)包括井架工進(jìn)行起下操作的二層臺(tái)，以及存靠立根的指梁；4）立管平臺(tái)固定立管和安裝、拆卸水龍帶的工作平臺(tái)；5）工作梯井架工上下井架的通道；6）天車架安裝和維修天車之用7）人字架起落井架之用，起升后作為井架整體的一部分；井架的基本類型目前國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)井架主要有塔型、前開口型、A型、桅型等結(jié)構(gòu)形式，其主要特點(diǎn)如下1塔型井架特征1）井架本體是封閉的整體結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性好，承載能力大；2）整個(gè)井架是由單個(gè)構(gòu)件用螺栓連接而成的可拆結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)井架尺寸可不受運(yùn)輸條件限制，允許井架內(nèi)部空間大，起下操作方便、安全；缺點(diǎn)單件拆裝工作量大，高空作業(yè)，不安全。2前開口（形）井架特征1）整個(gè)井架本體分成45段，一般各段為焊接的整體結(jié)構(gòu)，段間采用錐銷定位、螺栓聯(lián)接，地面或接近地面水平安裝，整體起放，分段運(yùn)輸；2）受運(yùn)輸尺寸限制，井架本體截面尺寸比塔型井架小；3）采用人字架起升，之后人字架成為井架本體的一部分；4）一般采用液壓千斤頂調(diào)整井架位置，對(duì)正井眼中心。優(yōu)點(diǎn)水平拆裝，整體起放，分段運(yùn)輸，運(yùn)移性好。缺點(diǎn)承載能力和總體穩(wěn)定性相對(duì)于塔型井架略有下降，內(nèi)部空間比塔型井架小。3A形井架特征1）兩根大腿通過天車臺(tái)、二層臺(tái)及附加桿件連成“A”字形采用撐桿或人字架支撐；整個(gè)井架在地面或接近地面水平組裝，整體起放，分段運(yùn)輸；2）大腿可以是空間桿件結(jié)構(gòu)或管柱式結(jié)構(gòu)，其斷面依所選用型材不同，一般分為矩形（角鋼）和三角形（管材）優(yōu)點(diǎn)A形井架的每根大腿都是封閉的整體結(jié)構(gòu)，承載能力和穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)因僅有兩腿，且腿間聯(lián)系較弱，井架整體穩(wěn)定性不理想。4桅形井架由一節(jié)或幾節(jié)桿件結(jié)構(gòu)或管柱結(jié)構(gòu)組成的單柱式井架，有整體式和伸縮式兩種；一般采用液缸或絞車整體起放，整體或分段運(yùn)輸；工作時(shí)向井口方向傾斜，需利用繃?yán)K保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，一般只用于車裝輕便鉆機(jī)和修井機(jī)（承載能力?。?。例如XJ250修井機(jī)用的就是形伸縮式桅形井架。5動(dòng)力井架安裝于海上浮式鉆井裝置上，因設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須計(jì)入動(dòng)力載荷，通稱為動(dòng)力井架；一般是塔架或前開口井架，必須有控制游車運(yùn)行的導(dǎo)軌。井架的基本參數(shù)井架的基本特性參數(shù)主要包括最大鉤載、井架高度、二層臺(tái)容量、井架的抗風(fēng)能力及理論自重等。1最大鉤載最大鉤載是修井機(jī)的主參數(shù)。井架的最大鉤載是指定繩固定在指定位置，用規(guī)定的修井繩數(shù)，在沒有風(fēng)載和立根載荷的前提下，井架所能承受大鉤的最大起重量。在此最大鉤載中包括游車、大鉤和游繩的重量，這一參數(shù)表明井架承受垂直載荷的能力。2井架高度井架高度指的是井架大腿支腳底板底面到天車梁底面的垂直距離，但這個(gè)參數(shù)并不能完全反映井架提供游動(dòng)系統(tǒng)操作空間高度的指標(biāo)。為了表明游動(dòng)系統(tǒng)可上下運(yùn)動(dòng)的空間，規(guī)定了井架的有效高度，其定義為鉆臺(tái)面到天車梁底面的垂直距離。3二層臺(tái)容量二層臺(tái)容量是指在二層臺(tái)內(nèi)所能靠放的鉆桿、油管的數(shù)量，通常以一定尺寸的鉆桿、油管的總長(zhǎng)度表示。二層臺(tái)指梁應(yīng)能滿足存放鉆進(jìn)到名義井深時(shí)所需要規(guī)定尺寸的全部立根，所以二層臺(tái)容量主要取決于指梁的包圍面積S，在指梁高度確定后，有效面積S就可根據(jù)所要存放的立根數(shù)和鉆桿直徑取接頭直徑計(jì)算確定?？紤]處理事故及附加作業(yè)需要，應(yīng)在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上增大15。4井架的最大抗風(fēng)能力井架的最大抗風(fēng)能力是指井架在一定工況下抵抗最大風(fēng)載荷的能力，常用KM/H表示。井架的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀本世紀(jì)初到40年代，世界上幾乎全部石油鉆機(jī)都采用塔形井架。這種井架的安裝和搬遷工作量大，高空作業(yè)危險(xiǎn)性大，因此逐漸趨于被淘汰的境地。，但從70年代以來隨著海洋鉆采工程的發(fā)展，這種井架又顯示出承載能力大、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)代海洋鉆井中己占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。A形井架是美國(guó)艾迪科公司在1948年開始研制的一種自升式井架。由于具有視野開闊、鉆臺(tái)空間大、整套井架低位水平安裝及整體起升等優(yōu)點(diǎn)，這種井架很快被廣泛采用。美國(guó)李西莫爾公司在1939年研制出K型井架后，即被各國(guó)鉆井公司廣泛采用美國(guó)十多家井架制造公司生產(chǎn)這種井架。當(dāng)前世界上從事鉆機(jī)井架生產(chǎn)的國(guó)家除俄羅斯、羅馬尼亞及西德部分生產(chǎn)A形井架外，其余國(guó)家的陸地井架全部為K形井架。70年代以前高位裝K形井架獨(dú)占鰲頭。但70年代以后低位裝K形并架發(fā)展很快，并出現(xiàn)了與之配套的旋升式底座，井架在鉆臺(tái)下面的部分為井架和底座所共用。這類井架目前在超深井鉆機(jī)中使用數(shù)量最多。勸年代以后隨著彈弓式底座的出現(xiàn)和廣泛使用，與之配套的高位裝K形井架的比例又有所增加。車裝鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，搬遷快，在國(guó)外發(fā)展很快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的車裝鉆機(jī)占全部中小型鉆機(jī)的35。隨著鉆并一藝的發(fā)展，車裝鉆機(jī)被大量采用己成定局，與之配套的桅形井架也將被更廣泛地使用。目前，國(guó)外井架正向高鉆臺(tái)、低位安裝、整體起升、重量輕、移運(yùn)性好和車裝化方向發(fā)展，同時(shí)提高可靠性，降低成本，確?？焖巽@井也是井架的設(shè)計(jì)原則。頂部驅(qū)動(dòng)裝置系列國(guó)外已廣泛用于海上鉆井，近年來陸油田也推廣很快。還出現(xiàn)了一些新的鉆機(jī)井架如新型的沙漠鉆機(jī)井架，意大利的新型小井眼鉆機(jī)閱等適合于特殊環(huán)境使用的鉆機(jī)井架及底座。國(guó)內(nèi)50年代開始制造塔型井架，由于存在安裝中高空作業(yè)多、危險(xiǎn)性大等致命缺陷，這種井架墮待改進(jìn)。國(guó)內(nèi)自60年代開始制造A形井架，如AD型井架等。較大規(guī)模的應(yīng)用是從1979年試制JJ315/43，A井架開始的，該型井架與7J45鉆機(jī)相配套已有95套。自1981年仿制了與BY40鉆機(jī)配套的第一套K形井架后，十多年來我國(guó)K形井架發(fā)展很快，先后研制并配套1500M，2000M，3200M，4500M及6000M五個(gè)級(jí)別鉆機(jī)的K形井架共18種。國(guó)內(nèi)于60年代初開始生產(chǎn)，只生產(chǎn)桅形修井井架，如18M和29M修井井架等。在80年代中期開始研制桅形鉆井井架，迄今僅生產(chǎn)出4套，分別與65B車裝鉆機(jī)和我國(guó)第一臺(tái)斜井鉆機(jī)配套使用。目前，國(guó)內(nèi)的陸地應(yīng)用的塔形井架己基本很少應(yīng)用A形井架的優(yōu)點(diǎn)是低位安裝，整體起升，司鉆視野寬，組焊大腿為橋式靜定結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，重量較輕，目前油田的應(yīng)用還比較多；K型井架的優(yōu)點(diǎn)是低位安裝，整體起升，總體剛性好，制造成本低，移運(yùn)時(shí)需要車輛少，便于維修，安裝頂驅(qū)裝置較方便，所以K型井架目前在油田的應(yīng)用最廣。國(guó)內(nèi)也研制了一些新型井架，如套裝伸縮式鉆機(jī)井架、液壓油缸起升式井架、新型車載式作業(yè)井架等，也都是以K型井架為主。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是前開口鉆井井架的設(shè)計(jì)，由于前開口井架具有地位安裝，整體起升，總體剛性好，制造成本低，移運(yùn)時(shí)需要車輛少，便于維修，安裝頂驅(qū)較方便等優(yōu)點(diǎn)，前開口型井架目前在油田得到了廣泛應(yīng)用，因此要保證在新設(shè)計(jì)的井架正常工作，本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是對(duì)井架結(jié)構(gòu)的方案分析設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行載荷分析及簡(jiǎn)化處理，確定各桿件及連接件的材料及截面尺寸，通過有限元對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性計(jì)算，最后進(jìn)行校核計(jì)算。所采用的方法、手段以及步驟等因大多數(shù)鉆機(jī)載荷受鉆井工藝復(fù)雜性的影響，具有一定程度的不確定性。對(duì)井架的結(jié)構(gòu)通常有各種不同類型的破壞，如桿件或構(gòu)件的局部破壞、整體結(jié)構(gòu)的破壞等。因而在設(shè)計(jì)計(jì)算中需要考慮不同的計(jì)算規(guī)定。然后根據(jù)已有參數(shù)進(jìn)行井架的載荷計(jì)算，隨后進(jìn)行井架的材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，接下來進(jìn)行井架的靜力和穩(wěn)定性計(jì)算，其主要用到的方法通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析法。第二章井架的結(jié)構(gòu)方案21井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)井架外形的確定井架的結(jié)構(gòu)形式主要表現(xiàn)在立面形式及腹板的布置形式，井架的外形主要取決于井架工作條件和制造的工藝，常見的有梯形和矩形倆種。梯形外形用于塔形井架，矩形外形用于A型井架和桅型井架，梯形上小下大，穩(wěn)定性好，承載能力強(qiáng)，所以一般井架在可能的情況下，都采用梯形，K型井架和A型井架需要利用鉆機(jī)自身動(dòng)力起放，這倆種井架都是在底部用銷軸與底座連接在一起的，起放井架時(shí)，井架體應(yīng)繞底部銷軸旋轉(zhuǎn)90度，這樣側(cè)面若采用梯形，結(jié)構(gòu)上難以處理。所以側(cè)面為矩形，矩形加工方便，桿件端點(diǎn)固定后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，正面由于不用旋轉(zhuǎn)采用梯形以提高承載能力。井架腹桿形式的確定井架斜撐的布置方式對(duì)井架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性有很大的影響。故接下來將重點(diǎn)討論幾種井架斜撐的布置方式。井架側(cè)面斜撐布置有平行式和波浪式兩種。井架背面斜撐布置有4種形式,即平行式、波浪式、平行人字形、交叉人字形如圖21所示。圖21結(jié)構(gòu)形式的好壞與其受力相關(guān)聯(lián)。在大鉤載荷作用下,井架大腿和背面、側(cè)面斜撐均受壓應(yīng)力。對(duì)于平行式結(jié)構(gòu),兩斜撐壓應(yīng)力在水平方向上的分力圖1A中P在橫撐上相互抵消,兩斜撐又同時(shí)分擔(dān)了兩邊大腿的壓力,使兩邊大腿應(yīng)力既均勻又不產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力,從而致使應(yīng)力狀況變得較為合理。因此,對(duì)井架結(jié)構(gòu)而言,平行式結(jié)構(gòu)比波浪式結(jié)構(gòu)好。對(duì)波浪式結(jié)構(gòu)而言,其斜撐壓應(yīng)力在水平方向上的分力如圖1B中P垂直作用于大腿,使大腿產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。同時(shí),兩斜撐分擔(dān)了一邊大腿的壓應(yīng)力,而不減小另一邊大腿的壓應(yīng)力,使得兩邊大腿應(yīng)力不均勻。因此,這種結(jié)構(gòu)形式不僅不能有效地分擔(dān)大腿的壓應(yīng)力,反而使大腿產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。C平行人字形結(jié)構(gòu)斜撐壓力在豎直方向上的分力圖1C中P垂直作用于橫撐上,使橫撐形成一個(gè)簡(jiǎn)支梁,從而產(chǎn)生彎曲變形。由于桿件的彎曲剛度比拉壓剛度小得多,這樣斜撐就起不到多大的作用。而且,斜撐作用于橫撐的力使橫撐產(chǎn)生的彎矩圖1C中M傳遞到大腿上,增大了大腿的應(yīng)力。D對(duì)于交叉人字形結(jié)構(gòu),斜撐上的壓力在橫撐上的垂直分力上下抵消,就不產(chǎn)生彎矩。同時(shí)在垂直方向上的剛度大,斜撐能夠產(chǎn)生較大的壓力,分擔(dān)了大腿上一部分壓力,因此,交叉人字形結(jié)構(gòu)比平行人字形結(jié)構(gòu)好。但是,交叉人字形結(jié)構(gòu)與平行式結(jié)構(gòu)相比,平行式結(jié)構(gòu)則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、節(jié)省材料、制造簡(jiǎn)單。圖種、三種剛度大，制造和安裝的工藝性較差，多用于塔形井架，圖常用于型和型井架，斜桿的傾角一般在度之間，本設(shè)計(jì)確定的井架的外形如本章最后圖所示。22井架桿件的截面選擇井架中的各種桿件往往都是由各種型材制成的，有單一型材桿件，也有復(fù)合型材桿件。常用的桿件截面如下1角鋼式可分為單角剛和雙角鋼倆種，但角鋼的截面不對(duì)稱，各相穩(wěn)定性不相等，承載有偏心，多用于A型井架。為了避免這些缺點(diǎn)而出現(xiàn)了雙角鋼式，但它制造較復(fù)雜，拆裝工作量大，不易防腐。2槽鋼式可分為單槽鋼和雙槽鋼倆種，前者常用寬度加大的特質(zhì)槽鋼；而后者可用普通標(biāo)準(zhǔn)槽鋼拼成正方形或矩形斷面，其穩(wěn)定性較好，但制造較復(fù)雜。3鋼管式鋼管的斷面具有幾何形狀對(duì)稱，各向穩(wěn)定性相等的特點(diǎn)，而且在斷面積相等的情況下，其慣性半徑最小。因此，采用鋼管做桿件結(jié)構(gòu)，其節(jié)間長(zhǎng)度可增大。圓形斷面還具有良好的空氣動(dòng)性能，產(chǎn)生的風(fēng)阻也小，便于涂漆防腐蝕。壁厚可做的很薄，一般壁厚不能小于其寬度的二十分之一，但一般選用的壁厚不小于4MM,以防運(yùn)輸安裝時(shí)變形，管材成本與其他型鋼比，大約為151，因而其材料利用更加合理。4，工字鋼式工字鋼井架承載能力大，不足之處是工字鋼腹板方向弱，尤其是在起升時(shí)撓度大，是最危險(xiǎn)工況，桿件允許的長(zhǎng)細(xì)比小，因此腹桿布置密集，井架重量大。5H型鋼H型鋼的抗彎慣性矩比較大，抗彎剛度較強(qiáng)。本井架具體所選截面形式見本章2423井架材料的選擇井架基本構(gòu)件常用的鋼材主要是普通碳素機(jī)構(gòu)鋼A3和普通低合金結(jié)構(gòu)鋼16MN。這倆種鋼材的許用應(yīng)力可以在有關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)種查到。由于16MN鋼的許用應(yīng)力比A3鋼高的多，這對(duì)于那些受強(qiáng)度控制的構(gòu)件（如各種拉力構(gòu)件和中小細(xì)長(zhǎng)比的壓桿）特別有利。因?yàn)樗膹?qiáng)度高，所以，在承受同樣載荷的情況下，可采用較小尺寸的構(gòu)件，這樣不僅可以減少風(fēng)阻，而且還可以節(jié)省鋼材，減輕重量，從而使井架的制造、安裝成本降低。此外16MN鋼抗大氣腐蝕的能力也比較高，并可以在較低的溫度條件下工作。因此，本設(shè)計(jì)選用16MN。24井架各桿件幾何尺寸的確定241弦桿尺寸的確定假定井架在最大鉤載時(shí)，全部載荷平均作用在四根弦桿上，根據(jù)石油鉆采機(jī)械上表915查的16MN的抗拉、抗壓、抗彎曲許用應(yīng)力為【】240MPA。4Q2300KN則Q575KN由公式Q/A得A263CM95102457Q考慮到井架的自重、天車重量、快死繩拉力的垂直分力，以及風(fēng)載等因素，同時(shí)，為了確保井架的安全，應(yīng)選用截面面積大于的H型鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)2CM953手冊(cè)第一卷查得，選用型號(hào)如下井架下部弦桿400400H型鋼A165H400MMH368MMB400MMD10MM2CMT16MM34852701CMWIYXX井架上部弦桿400400H型鋼A133H400MMH368MMB300MMD10MM2T16MM3480197256CMWICYXX242其他桿件尺寸的確定綜合考慮材料的經(jīng)濟(jì)性與安全性，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)卷一，確定井架其他桿件尺寸如下人字架大腿400400H型鋼A203H400MMH300MMB400MMD12MM2CMT20MM34107268CMWIYXX主面橫桿300300H型鋼A123H300MMH268MMB300MMD10MM2T16MM34801729CMWICYXX主面斜桿圓鋼A7854234981CIYXX側(cè)面橫桿350175H型鋼A548H350MMH330MMB175MMD6MM2MT10MM34102689CMWICYXX側(cè)面斜桿32C槽鋼A61313H320MMB92MMD12MM346527890CMWICYXX主面斜桿圓鋼180A254473457CIYXX25井架整體框架結(jié)構(gòu)的確定251井架基本尺寸的確定1井架的有效高度41M2二層臺(tái)高度26M3上底尺寸15326M4下底尺寸9M5人字架跨距6M252井架結(jié)構(gòu)尺寸的確定本設(shè)計(jì)整個(gè)結(jié)構(gòu)由五段焊接件焊接而成，用銷子連接，其外形尺寸如下圖所示圖22第三章載荷分析與計(jì)算31井架載荷基本定義及其計(jì)算方法為了正確設(shè)計(jì)和使用井架，保證安全工作，首先，必須分析井架的受力狀況，計(jì)算井架外載荷，并根據(jù)外載荷計(jì)算核對(duì)井架各構(gòu)件和整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)引用API對(duì)井架載荷進(jìn)行定義和計(jì)算。311井架的結(jié)構(gòu)靜載井架的結(jié)構(gòu)靜載主要是井架構(gòu)件本身的重量以及安放在井架上面的各種設(shè)備和工具的重量，主要設(shè)備是天車、游車、大鉤、吊鉗、鋼絲繩及頂部驅(qū)動(dòng)裝置。312大鉤最大靜載指死繩固定在制定位置時(shí)，在沒有任何立根載荷或者風(fēng)載的情況下，包括游動(dòng)滑車和大鉤重量在內(nèi)的大鉤最大負(fù)荷能力，這就是說大鉤靜載，不僅包括最大起SQ重重量，而且包括游車和大鉤的重量。MAXQ（1924）QGSQ額定井深的最大鉆柱重量G游動(dòng)滑車和大鉤的重量（本設(shè)計(jì)中2300KN。）S313風(fēng)載指風(fēng)從任意方向吹過時(shí)，對(duì)井架構(gòu)件上所有外露構(gòu)件（包括迎風(fēng)面和背風(fēng)面以及立根承風(fēng)面）作用的結(jié)果。風(fēng)載FPAP風(fēng)壓（PA）A固定在垂直流速方向的投影面積（）2M根據(jù)SY507785P0613HSCV2V風(fēng)速環(huán)流系數(shù)，對(duì)井架取125SC風(fēng)壓高度系數(shù)按下表選取H表31離地面高度（M）51020304050HC078100125141154163風(fēng)向選取與井架承風(fēng)面承45度方向?yàn)槲ｋU(xiǎn)面。風(fēng)載結(jié)果見附錄314立根載荷SP立根載荷是在鉆井過程中靠放在鉆臺(tái)上的立根對(duì)井架、底座產(chǎn)生的作用力。由立根自重及立根排所受風(fēng)載（風(fēng)載的大小與最大承風(fēng)面積有關(guān)）引起的立根載荷，它通過二層臺(tái)指梁按水平方向作用到井架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。設(shè)表示立根的水平靠力，表示立根總重，L表示立根的長(zhǎng)度，H表示二層SPPG臺(tái)指梁的高度，表示立根與鉆臺(tái)垂直平面的夾角（一般取小于3度）則有H1/2LSINSPPG本設(shè)計(jì)中取3度，則有1/2TANSP05QLNTAN0532273200/27TAN279812632KN式中Q單位長(zhǎng)度立根的重量。取Q32KG/MN立根數(shù)L立根長(zhǎng)度。取L27M315快繩和死繩拉力的垂直分力P考慮到快繩和死繩與垂直方向的夾角很小，可近似認(rèn)為二者拉力相等。0MAX2NGPV式中鉆機(jī)最大起重重量（N）AX游動(dòng)系統(tǒng)總重（N）0游動(dòng)系數(shù)效率API推薦使用077查石油鉆采機(jī)械表23，游動(dòng)系數(shù)采用67結(jié)構(gòu)，則有效繩數(shù)N12，則7273KN0MAX2NGPV32井架的載荷組成井架所受的載荷不僅隨工作階段的不同而異，而且同環(huán)境因素有關(guān)，在特殊惡劣的環(huán)境下有時(shí)是可以暫停某些工作。因此，就有工作階段與環(huán)境變化的組合問題。如以最重的載荷與最壞的工作條件同時(shí)出現(xiàn)為設(shè)計(jì)依據(jù)，則在正常工作條件下，該井架必然過于笨重而不夠經(jīng)濟(jì)合理，所以，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，必須合理選定幾種載荷組合情況作為井架的載荷組成作為井架的計(jì)算載荷，再根據(jù)他們來進(jìn)行井架的設(shè)計(jì)計(jì)算。在選定載荷組合時(shí)，既要滿足使用要求之前提下，保證井架的工作安全可靠，又要充分考慮到井架的經(jīng)濟(jì)合理性。根據(jù)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推薦井架的計(jì)算載荷選用三種組合，（1）井架處于工作狀態(tài)（無風(fēng)載、無立根、最大靜載荷）考慮井架在額定最大井深條件下起鉆，井架承受最大垂直載荷，此時(shí)計(jì)算載荷包括1大鉤最大載荷2300KNSQ2井架靜載荷取01230KNC3快繩和死繩拉力垂直分力，它們通過天車臺(tái)作用在井架上,在此忽略不計(jì)。則作用在井架頂上的最大垂直載荷為F23002302530KN（2）停鉆工況（滿立根、無鉤載、風(fēng)速小于36M/S）考慮在額定井深的情況下，立根全部靠在井架上，遇到較大的風(fēng)載，井架承受最大的水平載荷，此時(shí)計(jì)算載荷包括1作用在井架上的風(fēng)載，一般當(dāng)風(fēng)向與立根靠力方向一致時(shí)，水平載荷達(dá)到最大值，此推薦風(fēng)速為36M/S2井架靜載荷CQ3額定井深下，立根靠在井架上的水平分力；4作用在立根上的風(fēng)載則230KNC2632KNSP鉆桿接箍直徑D152MM/5A）井架二層臺(tái)的設(shè)計(jì)已知立根容量3200M的鉆桿，考慮到還需放套管等，應(yīng)將立根容量放大15倍，/5故二層臺(tái)需存放鉆桿數(shù)為/根1785230所以二層臺(tái)應(yīng)該每排放18根立根，共放10排，平均分配于二層臺(tái)倆側(cè)。則ML2036921根據(jù)實(shí)際需要，二層臺(tái)的有效面積應(yīng)將理論值稍微放大，故二層臺(tái)的具體尺寸確定如下圖31B）立根所受風(fēng)載當(dāng)井架沒有蓬布的情況下，其承風(fēng)面積，按下式計(jì)算COSLDN根AN指梁上每排所放立根的數(shù)目D立根外徑故05215897MAX5102102023X202746510MA同理得出052183Y510261020237MAY20274159風(fēng)壓HSHSCVCVP45COS630602立根所受風(fēng)載如下表表32高度0551010202027（M）HC078100125141風(fēng)壓PAXP6829087475109345123340承風(fēng)面積A2M7589575895151792106254風(fēng)載NFX518287066389151659769613105368風(fēng)壓PAY6829087475109345123340承風(fēng)面積YA2M13681368273619152風(fēng)載NFY934207211966582991679223622077C）井架所受風(fēng)載風(fēng)壓HSHSCVCVP45COS613061302不同高度的風(fēng)壓值如下表表33高度（M）055101020203030404050HC078100125141154163風(fēng)壓PAYXP682387475109345123341134710142585承風(fēng)面積為各桿件的投影面積。（3）保全設(shè)備工況（無鉤載、無立根風(fēng)速小于478M/S）考慮井架在保全設(shè)備的狀況下，遇到最大風(fēng)載，此時(shí)井架計(jì)算載荷包括1取風(fēng)速為478M/S，風(fēng)向取最危險(xiǎn)風(fēng)向2井架靜載荷230KNCQ不同高度風(fēng)壓值如表表34高度（M）055101020203030404050HC078100125141154163風(fēng)壓PAYXP98995126917158646178953195452206875第四章井架的強(qiáng)度、剛度分析計(jì)算井架是一種特殊的鋼結(jié)構(gòu)，主要承受在鉆井過程中產(chǎn)生的各種載荷。井架的設(shè)計(jì)計(jì)算就是保證其在規(guī)定的壽命期間能安全可靠地支承設(shè)計(jì)載荷。井架的負(fù)載，具有一定程度的不確定性。其設(shè)計(jì)載荷的主要參數(shù)一般按標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范來確定，在具體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮具體的工作環(huán)境，如海上、沙漠的影響。若井架的使用情況發(fā)生變化，可導(dǎo)致使用不安全。強(qiáng)度破壞是與斷裂、失穩(wěn)倒塌及不能接受的非彈性變形有關(guān)。結(jié)構(gòu)發(fā)生不同類型的破壞取決于載荷和結(jié)構(gòu)類型情況，同時(shí)也與控制設(shè)計(jì)的計(jì)算規(guī)定有關(guān)。井架通常有各種不同類型的破壞，如構(gòu)件或桿件的局部破壞，整體結(jié)構(gòu)的破壞等。因而在設(shè)計(jì)計(jì)算中不但需要分別考慮不同的計(jì)算規(guī)定，而且還要針對(duì)不同的使用要求，采用不同的計(jì)算方法。本章中井架的強(qiáng)度和剛度分析計(jì)算有倆種方法一種是利用圖解法求出各桿件的端力，然后手工計(jì)算，這種方法較麻煩，而且精度低，誤差大，很難滿足工程需要。第二種方法就是本文所用的利用計(jì)算機(jī)，使用ANYSY54程序進(jìn)行計(jì)算。41ANSYS軟件簡(jiǎn)介ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如PRO/ENGINEER,NASTRAN,ALOGOR,IDEAS,AUTOCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本為ANSYS57版，其微機(jī)版本要求的操作系統(tǒng)為WINDOWS95/98或WINDOWSNT,也可運(yùn)行于UNIX系統(tǒng)下。微機(jī)版的基本硬件要求為顯示分辨率為1024768，顯示內(nèi)存為2M以上，硬盤大于350M，推薦使用17英寸顯示器。啟動(dòng)ANSYS，進(jìn)入歡迎畫面以后，程序停留在開始平臺(tái)。從開始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)入各處理模塊PREP7（通用前處理模塊），SOLUTION（求解模塊），POST1（通用后處理模塊），POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）。ANSYS用戶手冊(cè)的全部?jī)?nèi)容都可以聯(lián)機(jī)查閱。用戶的指令可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在LOG文件中列出，打開輸出窗口可以看到LOG文件的內(nèi)容。如果軟件運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，查看LOG文件中的命令流及其錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。LOG文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由ANSYS自動(dòng)讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，能有效地提高工作速度。42有限元分析方法的基本思想和分析步驟421有限元方法的基本思想有限元法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散成一系列單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)相連。單元內(nèi)部的待求量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡(jiǎn)單，易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量之間的方程式，然后將各個(gè)單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，記入邊界條件后即可對(duì)方程組求解。從計(jì)算力學(xué)的角度來說，有限元法實(shí)際上是一種適用于一般連續(xù)體分析的矩陣分析方法，它的物理概念和分析過程與桿件體系的矩陣分析法基本上是一致的，所不同的主要是對(duì)于一般連續(xù)體來說，單元性能的控制方程通常無法用靜力法導(dǎo)出，而只能通過能量法或虛功原理近似地求得。422有限元分析的步驟A結(jié)構(gòu)離散化將結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)具有某種特性的單元，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并對(duì)單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)。B單元特性分析由于單元小，形狀簡(jiǎn)單，可以選擇簡(jiǎn)單且與單元類型相應(yīng)的位移函數(shù)近似地表示每個(gè)單元上真實(shí)的位移分布。將所有作用在單元上的力如表面力、體積力、集中力等效地移置為節(jié)點(diǎn)載荷，這樣就可以應(yīng)用力學(xué)的變分原理，獲得單元的平衡方程組。獲得單元平衡方程組的關(guān)鍵在于建立單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力的關(guān)系矩陣單元?jiǎng)偠染仃?。C建立整體矩陣方程將各單元的剛度矩陣集合成整體剛度矩陣各單元的等效節(jié)點(diǎn)載荷向量集合成總的載荷向量，把整體結(jié)構(gòu)的各單元矩陣方程合并成一個(gè)整體的矩陣方程。D整體矩陣方程求解引入約束條件，對(duì)結(jié)構(gòu)的總體矩陣方程求解，得到各節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力。43有限元法分析井架的基本原理根據(jù)鉆機(jī)井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，井架的承載能力計(jì)算采用有限元法分析，有限元法是目前最有效的一種結(jié)構(gòu)分析方法。有限元法是要把分析的結(jié)構(gòu)物，離散為有限個(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元組合體來考慮。井架結(jié)構(gòu)包括析架式并架和鋼架式井架是由有限個(gè)梁，柱組合成的平面結(jié)構(gòu)或空間結(jié)構(gòu)，因此把梁和柱當(dāng)作有限單元是很自然的。平面彬架或空間鋼架是由幾根柱類桿件組成，以每根桿件作為一個(gè)單元，那么就可以認(rèn)為該析架或鋼架是由幾個(gè)單元組成。結(jié)構(gòu)受載荷作用產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)中每個(gè)單元也產(chǎn)生變形。在有限元法里，考慮在單元上選定若干個(gè)點(diǎn)即節(jié)點(diǎn)，并假定以這些節(jié)點(diǎn)的位移確定各單元的變形狀態(tài)。若以梁或柱作的為單元，自然就把桿件兩端作為單元變形狀態(tài)的定義點(diǎn)。因此柱單元亦稱桿單元和梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)通常取桿件的兩端。這樣，節(jié)點(diǎn)位移就是桿件端點(diǎn)的線位移和角位移。在有限元計(jì)算里，析架和鋼架的變形狀態(tài)是由桿件端點(diǎn)的線位移和角位移表示的。對(duì)每個(gè)桿件來說，節(jié)點(diǎn)是桿件的兩端，但如果從結(jié)構(gòu)整體看，節(jié)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)中桿件的連接處。對(duì)桿件中的內(nèi)力力和彎矩，有限元法假定單元中的內(nèi)力一律通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞，單元中的內(nèi)力可以用節(jié)點(diǎn)上的力和彎矩表示。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，可以由節(jié)點(diǎn)上的力和彎矩表示，在有限元法里，外力也是假定通過節(jié)點(diǎn)傳到結(jié)構(gòu)上的。因?yàn)閮?nèi)力是假定通過節(jié)點(diǎn)傳遞的，如果外力不遵照同樣的假定，在考慮內(nèi)力和外力的平衡時(shí)就不方便了當(dāng)結(jié)構(gòu)的桿件作用有均布荷載和集中荷載，可根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)將載荷轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)力和等效節(jié)點(diǎn)彎矩。44井架結(jié)構(gòu)有限元靜力分析441節(jié)點(diǎn)、單元的編寫井架是一種典型的空間桿系結(jié)構(gòu)，井架主體為焊接結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)具有較大剛性，在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的拉壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，有限元分析模型中將井架主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為三維彈性梁?jiǎn)卧˙EAM4）。左、右基座及左、右上座分別由兩根焊接工字鋼作為主梁，用普通標(biāo)準(zhǔn)工字鋼聯(lián)接起來構(gòu)成，雖然主梁的截面尺寸較大，但縱向尺寸更大，再者它們可以同時(shí)承受軸力、雙向彎曲，扭轉(zhuǎn)和雙向剪切作用，因而均簡(jiǎn)化為三維空間梁?jiǎn)卧呛侠淼?。前、后立柱和人字架前、后腿基本上是由普通?biāo)準(zhǔn)工字鋼焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，按它們可能的受力情況應(yīng)采用三維空間梁?jiǎn)卧⒂邢拊Ｐ汀Ｇ?、后立柱與人字架前、后腿，還有一些其它框架都采用單銷鉸接簡(jiǎn)化為梁處理。在進(jìn)行井架單元?jiǎng)澐謺r(shí)，一般將井架主體結(jié)構(gòu)的每一根桿件作為一個(gè)單元，桿件間的連接點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。井架所帶的扶梯、欄桿等附件，因?yàn)閷?duì)井架的承載能力影響很小，可忽略不計(jì)。編寫節(jié)點(diǎn)時(shí)節(jié)點(diǎn)編號(hào)自下而上，單元編號(hào)沒有特殊要求，理論上可以任意編寫，但一般為了方便的進(jìn)行單元輸入和計(jì)算結(jié)果處理，將材料和幾何面積相同桿件按順序編在一起。例如，井架大腿、橫桿、斜桿分別為不同的幾何截面形狀，則先編大腿各桿件，在編橫桿，最后是斜桿。所以本井架共劃分了216個(gè)三維梁?jiǎn)卧?，共?jì)113個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體詳見圖紙“井架有限元網(wǎng)格圖”。井架（人字架、前后立柱、斜撐）采用16MN，其它部分采用Q235。在單元?jiǎng)澐旨肮?jié)點(diǎn)位置確定以后，還要計(jì)算各個(gè)單元的截面特性參數(shù)，即單元的截面尺寸、兩個(gè)方向的截面模量，以及各節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，然后按照從下到上的順序逐個(gè)輸入坐標(biāo)值，建立井架有限元模型。井架的有限元模型如下圖所示。圖41442載荷和約束處理在有限元分析時(shí)，一般按以下原則將載荷作用在井架上1大鉤載荷按集中應(yīng)力處理，平均分成四份垂直向下，作用在井架頂部四個(gè)節(jié)點(diǎn)上。2井架自重ANSYS軟件可根據(jù)材料密度，自動(dòng)計(jì)算處桿件的重量，并自動(dòng)作用在桿件上，這樣只需在輸入數(shù)據(jù)時(shí)將各桿件的材料密度輸入即可。3立根載荷平均分成倆份，水平作用在二層臺(tái)處井架前側(cè)的倆個(gè)節(jié)點(diǎn)上。4風(fēng)載風(fēng)載是分布載荷，ANSYS軟件在用空間梁?jiǎn)卧?jì)算時(shí)，分布載荷是按固端力處理的。計(jì)算時(shí)先用風(fēng)壓值乘以桿件與風(fēng)向垂直的投影面的密度，將風(fēng)載轉(zhuǎn)換為線性分布載荷。5井架的約束人字架底部的四個(gè)節(jié)點(diǎn)全約束，井架主體底部的倆個(gè)節(jié)點(diǎn)各約束五個(gè)自由度，繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度松弛。45節(jié)點(diǎn)、載荷的計(jì)算第一種工況作用在井架頂部的最大垂直載荷F2530KN將F簡(jiǎn)化到四個(gè)大腿上，Q6325KN加載如圖所示表41XYZ109006325KN110006325KN112006325KN111006325KN圖42第二種工況1井架靜載荷230KN，在此力作用下節(jié)點(diǎn)所受載荷如下表CQ表42XYZ10900575KN11000575KN11200575KN11100575KN2立根作用力將立根斜靠水平分力和立根所受的風(fēng)載折算到二層臺(tái)與井架鉸接處P，計(jì)算SP如下風(fēng)壓是沿高度變化的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以將風(fēng)載沿立根高分段（共分為四段）折算成均布載荷，如圖43。圖43風(fēng)載通過立根作用在二層臺(tái)指梁上，最終通過二層臺(tái)與井架鉸接點(diǎn)作用與井架。因此可以將均布載荷簡(jiǎn)化為集中載荷，求出井架所受的力。如圖44所示，對(duì)O點(diǎn)取矩，根據(jù)力矩平衡，有圖4412345715236FFF立根由表32中F值可求得KN88X立根9690Y立根由于風(fēng)通過迎風(fēng)面后，背風(fēng)面的風(fēng)壓是有所減小的，因此，背風(fēng)面的風(fēng)載還應(yīng)該在迎風(fēng)面風(fēng)載的基礎(chǔ)上乘以風(fēng)壓消弱系數(shù)M。根據(jù)石油鉆采機(jī)械表97、96中FF1其中擋風(fēng)系數(shù)弦架各構(gòu)件實(shí)際承風(fēng)面積的總和1FF平面弦架的外輪廓面積則31260981475HB3又由插值法可查得風(fēng)壓消弱系數(shù)M0687根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可求出二層臺(tái)與井架連接點(diǎn)的受力。1二層臺(tái)受力分析圖45MKNLPMKNFKNPPXYYSX4256109423691423096426912432687038702211121X21立根立根立根立根（2井架受力分析圖46將連接點(diǎn)處受力向相鄰倆節(jié)點(diǎn)處簡(jiǎn)化，根據(jù)力矩平衡，可求出節(jié)點(diǎn)68、72、69、73的受力，二層臺(tái)受力折算到節(jié)點(diǎn)上的載荷如下表表43X（N）YNZNMXNMMYNMMZNM682032920457000115572406583409143000242456911862054700010657323714409143000223753井架所受風(fēng)載的計(jì)算井架在10米以下所受風(fēng)載很小，可忽略。根據(jù)井架的結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)載荷從40節(jié)點(diǎn)算起，因風(fēng)壓沿高度變化，可以將風(fēng)載沿井架分段折算成均布載荷。根據(jù)井架結(jié)構(gòu)，將風(fēng)載分為4段均布載荷，每段風(fēng)壓如下表表44X軸方向的風(fēng)壓Y軸方向的風(fēng)壓1162081093451093452083001233412334300396137411374139641142585142585此均布載荷的集度QPB其中P單元所在處的風(fēng)壓B單元的投影寬度Y方向的投影寬度YB主面橫桿300MMY主面斜桿100MM弦桿400MMYBX方向的投影寬度X主面橫桿300MMX主面斜桿100MMB弦桿400MMX各單元簡(jiǎn)化為倆端固定的簡(jiǎn)支梁，所受風(fēng)載向倆節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化，則各節(jié)點(diǎn)所受載荷為L(zhǎng)PBLQR502其中L各單元的長(zhǎng)度（可根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)求出）將同一節(jié)點(diǎn)所受不同單元的力疊加，即可得出各節(jié)點(diǎn)的載荷，見下表表45（單位N）FXFYFZ40399376656070413993766560704239937611277840433993761127784044117831842644045117831842644046880494147664404788049418834620481274136721677049127413672167705016697847216770511669784721677052166978472167705316697847216770541274136241885705512741361639847056127413672167705712741367216770581669784721677059166978472167706011294414348430611129441434843062931617132159706393161716938070641216344810260651216344810260669931951354274067993195173440806814372198140440691437219814044070188350881404407118835088140440721883508814044073188350881404407414372192265692075143721915383580761437219814044077143721981404407818835088140440791883508814044080125786948784808112578694878480821034724111627083103472414634708413427145253690851342714525369086108475211390670871084752148446308815697088890860891569708889086090208563288908609120856328890860922085632889086093208563288908609415697082006090951569708134009409615697088890860971569708889086098208563288908609920856328890860100134271452536901011342714525369010210847528139180103108475211345180104891266653851010589126665385101068912666538510107891266653851010802264250109805958733458011080595873345801118059587334580112805958733458011302264250第三種工況1井架靜載荷230KN，在此力作用下節(jié)點(diǎn)所受載荷如下表CQ表46（單位N）XYZ10900575KN11000575KN11200575KN11100575KN2井架所受風(fēng)載表47計(jì)算方法同第二種工況相同，各節(jié)點(diǎn)所受載荷如下表表48（單位N）FXFYFZ40579455951880415794559518804257945516362730435794551636273044156449761872045156449761872046127749721424350X軸方向的風(fēng)壓Y軸方向的風(fēng)壓11620815864615864620830017895317895330039619545219545239641010687520687547127749727326770481848568104706049184856810470605024225681047060512422568104706052242256810470605324225681047060541848568350948305518485682379210561848568104706057184856810470605824225681047060592422568104706060163866463090611638664630906213516641917480631351664245748064176477369790651764773697906614411964887067144125164170682085246118108069208524611810807027327621181080712732762118108072273276211810807327327621181080742085246328726075208524622319807620852461181080772085246118108078273276211810807927327621181080801825707810811825707810821501282161959408315012822123344084192744776226085192744776226086157387716526420871573877215378108822775128998089227751289980902984721128998091298472112899809229847211289980932984721128998094227752910654095227751944354096227751289980972277512899809829847211289980992984721128998010019274477622601011927447762260102157387711809101031573877164608601041293139948663010512931399486630106129313994866301071293139948663010803285180109116936106414901101169361064149011111693610641490112116936106414901130328518046ANSYS54程序的數(shù)據(jù)輸入ANSYS54程序的輸入可采用圖形界面操作和命令流倆種方式進(jìn)行。命令流輸入方式可以大大提高工作效率，也便于修改，所以本次設(shè)計(jì)采用命令流輸入方式。（1）第一種工況（井架處于工作狀態(tài)）/FILENAME,JINGJIA/TITLE,JINGJIA/UNITS,SI/PREP7N,1,45,0,0N,2,45,0,0N,3,45,04,0N,4,45,04,0N,5,45,64,0