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石油钻机井架动态响应分析.pdf
井架是石油钻机起升设备的重要组成部分之一，在油田钻井中，用于安
放天车，悬挂游车、大钩及专用工具，起下钻、下套管等。作为承载构件的
钻机井架，其工作环境远比一般的钢结构物恶劣。井架结构要承受提放钻具
的大钩载荷、风激励产生的风载荷以及钻机振动时产生的振动载荷等动载荷
作用。目前，采用等效静力法研究井架结构，仅仅能满足井架设计阶段的基
本要求，对井架在动载下的振动响应没有进行深入研究。特殊情况下的纵向
冲击响应，正常工作阶段受周期性持续载荷作用的响应，以及在风载荷作用
下的风致振动问题已经受到关注。在动载下对井架进行动态响应分析，能够
更有效地减少或避免油田生产中发生的井架动力失效或被风刮倒而造成的安
全事故。因此，开展动载荷作用下的钻机井架动态响应研究，对井架结构设
计和油田安全生产有着重要指导意义。
本文主要以前开口钻机井架为对象，根据弹性体理论和模型等效原则建
立了用于动态特性分析的井架系统动力学模型，并根据井架结构特点和工作
实际将其划分为特殊工作状态和正常工作状态两种工况，通过概率统计方法，
以大钩载荷为统计变量获得井架竖向载荷概率模型，继而采用国内惯用的编
谱原则，编制符合实际的瞬态冲击载荷历程和周期性试验用程序载荷谱，对
钻机井架进行了瞬态动力学分析与动态响应计算，得到了井架在动载何作用
下的变形和应力变化，以及井架顶部、二层台和人字架等主要部位在不同方
向的时间响应变化规律和振动特性。
采用ANSYS软件对井架进行了模态分析，获得了，前10阶固有频率和振
型，并在此基础上进行响应谱分析，得到井架的频率响应特性。
运用空气动学原理，研究了大庆油田的陆地风场特性，进行了井架结构
风载荷谱分析。现场采集大庆地区从1960～2003年问44年的年最大风速气
象资料，建立了极值I型概率分析数学模型，对钻机井架的设计风速进行概
率统计分析。根据油田生产实际，建立了9种模拟井架结构力学行为的载荷
工况，运用结构随机振动理论计算了四段井架结构的风振系数和等效脉动风
载荷。用能量法系统分析了各种脉动风速谱和风力谱的基本规律，给出了基
于三角级数叠加谐波合成法的脉动风模拟方法，并采用Mmlab6．5软件给出
了风载荷的数值模拟结果。
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