基于ANSYS的钻杆的有限元静力分析

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1、第40卷第3期2010年5月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．3Mav．2010基于ANSYS的钻杆的有限元静力分析邬华明，王生楠(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：建立了基于ANSYS的钻杆参数化有限元仿真模型，对钻柱的整体受力情况进行了有限元仿真分析，运用ANSYS软件中结构静力学分析模块，对钻柱在减压和加压两种回转钻进过程中的整体受力情况进行了分析，说明了钻柱的整体受力过程及特点，并总结了浅井和深并两种情况下钻杆柱应力分布的一般规律。关键词：钻柱；有限元；仿真；受力分析；参数化模型；ANSYS中图分类号：

2、TE921．2；0242．21文献标识码：A文章编号：1671—654X(2010)03—0061—04引言钻杆的实际工况种类很多，其中回转钻进是钻杆的主要工况，也是最复杂的。本文将主要对钻杆的回转钻进过程进行仿真分析。在回转钻进过程中，引起工程界普遍关注的主要问题是钻杆的整体受力情况。ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。利用ANSYS软件来建立钻柱的力学模型，对钻柱的整体受力情况进行分析研究，确保了对钻柱整体受力情况的分析和求解‘2

3、。1基本假设钻杆柱的实际工作状态是非常复杂的，很难对钻杆柱的实际状态进行精确的模拟和分析。因此，在分析时有

4、必要引入了一些基本假设，对钻杆柱状态进行简化模拟。对于钻杆的受力情况分析，主要是了解钻杆柱的整体受力情况，并确定受力点最大处的位置。所以，在ANSYS中，可以采用结构静力学的分析模块来进行分析。为此，除了在有限元建模时所作的几点基本假设外，还需引入以下基本假设：1)不考虑钻杆柱弯曲变形的影响。2)不考虑孔壁和钻井液对钻杆柱的磨擦阻力。3)将钻杆柱底部钻头所受的力简化为轴向阻力及阻力矩。4)忽略钻杆柱的动态因素、钻井液的动力效应以收稿13期：2009-11—1l修订日期：2010—03—05作者简介：邬华明(1983一)，男，陕西西安人，研究方向为固体力学。及温度影响等。2有限元模型

5、的约束及加载2．1建立模型选取从井口到钻头的整体钻柱结构作为研究对象，利用ANSYS来进行有限元分析。首先要建立合适的几何模型来模拟钻柱的实际工况。由于谐响应分析是一种线性分析，所以忽略所有非线性特性HJ。钻柱为弹性直杆，将钻柱系统离散化，并将井架、吊绳和大钩看做一弹簧，钻柱系统被简化为一弹簧一质量一阻尼系统，如图1所示：钻一l(加钻头)刻地底图1钻柱离散单元系统2．1．1选择单元根据单元特性，选取弹性直管梁单元PIPE59来模拟钻杆、钻铤、转换接头以及扶正器。各单元的特性可通过KEYOPT选项的设置来确定，PIPE59单元的各个KEYOtyI'选项采用默认设置。ⅣⅣ寸觚越坑坑m么

6、釉勒谭啤～首：匪上杆铤·62·航空计算技术第40卷第3期2．1．2确定单元参数单元的参数包括材料特性和实常数。单元参数有：钻柱的弹性模量：2．1×1011Pa；钻柱的泊松比：0．3；钻柱的密度：(7．8～11)x103kg／m；空气密度：1．237kg／m。2．1．3建立几何模型钻柱可以看作一个弹性直杆，钻柱振动类似于一种弹簧一质量一阻尼系统，即将整个钻柱的振动简化为多自由度系统，钻头与岩石的相互作用简化为周期函数或随机激励，作为下部边界条件。钻柱模型较简单，先创建节点，然后通过节点直接生成单元。而转换接头、扶正器等部位受力复杂，且钻柱在转换接头处容易破坏，所以在这些部位创建单元较

7、密集，以便得到更精确的分析结果。2．2加载求解及后处理在确定钻杆柱有限元模型的约束及边界条件之前，有必要说明一下钻杆柱所受到的主要载荷，以及实际的加载过程。对于回转钻进过程中的钻杆而言，受到的载荷主要有自重、转盘扭矩、孔口施加的轴向力、泥浆的压力及浮力、以及钻杆底部钻头所受的轴向阻力及阻力矩等。在有限元建模中。通过设置材料属性、单元的相关实常数以及适当的数据表，已经考虑了材料的密度、泥浆的压力及其对钻杆柱的浮力等因素。因此，在ANSYS里计算的钻杆重力就是实际的悬重值，不用再去考虑泥浆的压力及浮力了。在实际的回转钻进过程中，钻压是通过在孔口对钻杆施加轴向力而产生的，其大小也就是钻杆

8、底部钻头所受的轴向阻力。钻压的大小取决于钻杆柱的悬重以及孔口对钻杆施加的轴向力。反过来也可以说，钻杆柱的悬重和钻压的大小决定了孔口对钻杆施加的轴向力的大小。同理，在实际的回转钻进过程中，转盘对钻杆施加的扭矩主要取决于钻杆底部钻头所受的阻力矩。两者对钻杆共同作用，可以视为一对平衡力矩。因此，对于钻压、转盘扭矩，以及钻杆底部钻头所受的轴向阻力及阻力矩的施加，可采用以下两种方式。1)将钻杆底部全部约束，对钻杆的顶部施加轴向力和转盘扭矩，那么钻杆底部钻头所受的轴向阻力及阻力矩