基于有限元分析的井架拓扑优化设计

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1、分类号：密级：UDC：编号201321202088河北工业大学硕士学位论文基于有限元分析的井架拓扑优化设计论文作者：彭垒学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：段国林职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringTOPOLOGYOPTIMIZATIONOFDERRICKSBASIEDONFINITEELEMENTANALYSISbyPengLe

2、iSupervisor:Prof.DuanGuolinMay2016摘要井架是石油钻机的重要组成部分，用于安放天车、游车等起升设备，承受着各种作业载荷，可以说井架的承载能力在一定程度上就决定了钻机的钻探能力。目前的井架设计多以静强度作为主要设计准则，按照使用条件下不致破坏作为设计的标准,通过一味的添加材料来保证结构的安全性和可靠性，造成材料的浪费。因此，在保证井架安全的条件下,寻求合适的结构优化方法来减少井架的用钢量具有十分重要的意义。本文针对井架优化变量离散性及多约束的特点，对遗传算法进行改进。并将改进

3、的遗传算法与井架的静、动力分析程序相结合，建立了井架静、动力离散型拓扑优化程序。本论文主要研究工作如下：（1）根据有限元理论，采用最小势能原理推导空间梁单元的单元刚度矩阵，运用直接刚度法组装成整体刚度矩阵，并用MATLAB编写井架通用有限元分析程序；分析井架静力工况，并调用通用有限元分析程序对各种工况进行有限元分析。通过静力分析得到最危险工况及井架受力最大单元，为基于静力约束的井架拓扑优化奠定基础。（2）对井架进行动态特性研究。分析井架自振特性，得到井架自振频率和振型，并与转盘进行共振分析，找到易发生共振

4、的频率范围。对井架进行瞬态响应分析。选择合适的参数，采用动力时程数值积分法—Newmark法分别求解井架在冲击钩载、冲击钩载与静风载组合作用下的瞬态响应，并用MATLAB编制出相应的程序。通过分析得到了井架最大单元应力响应和最大节点位移响应，为基于动力约束下的井架拓扑优化奠定基础。（3）根据Davenport谱理论，考虑脉动风速对井架的影响，采用谐波合成法模拟风载荷，对井架进行风振响应分析。采用动力时程数值积分法—Newmark法求解井架在立根载荷与风振载荷组合作用下的动力响应，并运用MATLAB编制出相

5、应的程序。分析结果表明，考虑脉动风时的井架比没有考虑脉动风时的井架振动更剧烈，为后续井架结构拓扑优化提供参考。（4）针对井架结构离散性的特点，并考虑到加工和装备的方便性，提出了基于遗传算法的井架尺寸和拓扑同步优化算法。针对井架尺寸优化和拓扑优化的耦合关系，提出了整数和逻辑值组合编码的遗传编码形式,并通过自适应交叉概率与变异概率，提高遗传算法优化的全局性。将井架危险工况下的静、动力有限元分析程序与遗传算法相结合，用MATLAB软件编制出井架静、动力尺寸和拓扑同步优化程序，并对优I化结果进行了分析。优化结果表

6、明：编制出的拓扑优化程序能达到优化的目标；动力约束下的优化结果比静力约束下的优化结果更安全；考虑脉动风对井架的影响，会使结构设计更贴近实际。以上的研究成果和结论为提高井架的安全性和经济性提供了理论依据。关键字:井架，拓扑优化，有限元分析，遗传算法，MATLABIIABSTRACTDerrickisanimportantpartoftheoilrigtoplacecrownblock,travelblockandotherliftingequipmenttowithstandtheloadofvarious

7、operations.Thecarryingcapacityofthederricktosomeextentdeterminestheabilityofthedrillingrig.Thecurrentdesignofmulti-derricktostaticstrengthasthemaindesigncriteria,inaccordancewiththeconditionsofusewithoutdamageasadesignstandard,throughblindlyaddingmaterial

8、stoensurethesafetyandreliabilityofthestructure,causematerialwaste.Therefore,itissignificanttofindasuitablestructuraloptimizationmethodtoreducetheamountofsteelusedinthederrickundertheconditionofensuringthesafetyofthe