顶部驱动钻井装置动力学分析与虚拟样机技术的研究

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1、华中科技大学博士学位论文顶部驱动钻井装置动力学分析与虚拟样机技术的研究姓名：肖文生申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：周济;钟毅芳20040927摘要石油是关系国计民生的战略性资源顶驱装置钻机是重大石油装备传统的设计试制评价产品设计方法以制造物理样机和设计流程的多轮反复为特征耗时多投入大不能用于指导创新设计已不适应石油设备制造企业缩短新产品研制开发周期降低开发费用的要求本文结合国家自然科学基金基于柔性多体固液耦合的机械系统动力学机理和行为仿真项目批准号50375058中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金基于物理的虚拟顶驱装置样机的

2、技术研究项目批准号2001CX33和中国石油天然气股份有限公司科技风险创新研究项目顶驱装置数字化设计与制造项目将功能化虚拟样机技术应用于顶驱装置的设计领域基于多体系统动力学和钻柱动力学理论结合虚拟产品开发技术提出并建立了基于钻柱激励的顶驱装置虚拟样机动力学计算和分析方法采用室内试验的方法对理论分析进行了验证开发出了顶驱装置辅助设计系统本文在对钻柱模型进行适当简化的条件下建立了钻柱纵向横向和扭转全耦合的振动模型按照哈密尔顿原理对钻柱的耦合振动方程进行了推导提出钻柱上端只有纵扭耦合振动采用摄动法对钻柱上端的纵扭耦合振动特性及机理进行了理论分析采用假定模态

3、-吉尔积分法对钻柱的纵扭振动行为进行了数值模拟给出了数值求解的方法及程序采用转子动力学和和固液耦合动力学理论对环空旋转钻柱内外钻井液流体对钻柱涡动的影响进行研究对钻井液诱发钻柱涡动产生的机理进行分析推导出判断钻柱涡动稳定性的依据研究表明所有正向扰动和逆向小扰动均将衰减系统稳定所有逆向大扰动均将在摩擦力作用下发展成定常涡动应用室内试验台对钻柱振动进行试验研究对钻柱模型进行了相似设计提出了试验方法及步骤并对试验结果进行了分析描述试验模拟了各种激励作用下的运动状态并完成对其主要运动参数的测量对各种振动现象进行了直观观察和定量测量试验证实了钻柱的横向振动在从

4、井底向井口传递的过程中严重衰减分析钻柱上端纵扭耦合振动的试验结果揭示了钻柱的振动特性证实了钻柱耦合振动理论分析所得结论是正确的以钻柱振动为激励源考虑顶驱装置的质量外部作用力和重力等多种物理因素以顶驱钻井装置的导轨和减速器箱体为例将顶驱钻井装置的导轨和减速器箱体导入ADAMS和ANSYS中并分别在建立了力学模型通过ADAMS/Solver/GSE和ANSYS/SFFUN编制了载荷输入子程序对顶驱钻井装置的导轨和减速器箱体进行了全5面性能分析采用Pro/E软件构造出顶驱装置钻机的实体样机提出了虚拟样机的功能模型通过软件接口将顶驱装置钻机的实体样机导入AD

5、AMS和ANSYS软件中在ADAMS和ANSYS软件中软件环境中建立了顶驱装置钻机虚拟样机运动学系统和动力学分析系统实现了顶驱装置钻机虚拟实体样机旋转钻进过程提升过程和接卸立根作业顶驱装置钻机虚拟样机动力学分析系统完成了对导轨减速器箱体钢丝绳立根操纵机构吊环换卸立根装置直动部分井架的动力学分析同时按照功能模型的规划开发了顶驱装置钻机虚拟样机设计系统包括典型零件建模模块子装配建模模块和零件设计模块面向DFA的装配序列及路径规划子系统该系统能够实现基于物理的顶驱装置钻机虚拟样机装配过程仿真具有多层装配序列零件装配及拆卸路径规划实现装配规划过程的可视化功能

6、等最后总结了全文的工作给出了进一步研究的建议与展望关键词顶驱装置钻柱耦合多体系统动力学试验研究虚拟样机6AbstractPetroleumisthestrategicalresourcethatconcernsthenationaleconomyandthepeople'slivelihood.AndtheTopDriveDrillingSystem(TDS)isthesignificantpetroleumequipment.Thetraditionaldesignmethodof'design-trialproducing-evaluation'

7、,withthecharacteristicofmakingphysicalprototypeandthemanytimesrepetitionofthedesignprocess,consumingmuchtime,requiringhugeinvestment,cannotbeingusedtoguidetheoriginaldesign,andcannotnowsatisfythedemandoftheshorteningthedevelopmentperiodofthenewproductandreducingthedevelopmentex

8、penseofthepetroleumequipmentmanufacturingenterprises.C