JJ225∕43-K型石油钻机井架屈曲分析.pdf

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1、第37卷第3期化工机械347JJ225／43一K型石油钻机井架屈曲分析凌翔棒+裴峻峰王鲁豫(江苏工业学院)摘要根据结构稳定理论，使用ANSYS软件对JJ225／43．K型石油钻机井架进行了屈曲分析，得到了该井架在线性屈曲、几何非线性屈曲和双重非线性屈由3种情形下的临界失稳载荷。通过对比分析可全面了解该井架的稳定性能，为安全使用提供依据。关键词K型石油钻机井架结构稳定性屈曲分析中图分类号TQ050．7文献标识码A文章编号0254-6094(2010)03-0347-05作为一种空间桁架结构，石油钻机井架主要的失效形式是结

2、构失稳，且这种失稳具有突发性，会带来灾难性的后果。因此，开展对石油井架结构稳定性的研究是很有意义的。JJ225／43．K型石油钻机井架是一种前开口式井架，该井架采用水平低位安装，利用钻机绞车的动力整体起放。笔者根据结构稳定理论，使用ANSYS软件对JJ225／43一K型井架进行了线性、几何非线性和双重非线性屈曲分析，从而较全面地了解该型井架的力学性能，为其安全使用提供保证和设计改进提供依据。1井架结构的可能破坏形式井架结构作为一种钢结构，其可能失效形式有结构的整体失稳、结构和构件的局部失稳、结构的塑形破坏、结构的脆性断

3、裂、结构的疲劳破坏以及结构的损伤累积破坏等⋯。失稳是结构的主要失效形式，必须予以重视。失稳现象形式很多，其类别因不同的分类方法而异。最主要的可分为5类：欧拉屈曲、极值型失稳、屈曲后极值型失稳、有限干扰删屈曲和跳跃性失稳。井架的屈曲分析主要考虑欧拉屈曲和极值型失稳。欧拉屈曲失稳的特点足在达到临界状态前，结构保持初始平衡位置，在达到临界状态时，结构从初始的位置过渡到无限临近的新的平衡位置，此后变形进一步增大，要求载荷增加。结构在临界状态时出现这类现象称为结构的屈曲。由于结构在此时发生了平衡形式的转移，平衡状态出现分岔，因此

4、称平衡分支，也称为第l类失稳或线性屈曲。极值型失稳没有平衡分岔现象。随着载荷的增加，结构变形也增加，而且越来越快，直到结构不能承受增加的外载荷为止。此时，载荷达到极限值。这类稳定『uJ题也称为第2类失稳或非线性屈曲。2屈曲分析类型2．1线性屈曲线性屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度，它足线性化的计算过程，比完全的非线性心曲分析需要的求解时问少。线性屈曲分析使用特征值公式来计算造成结构负刚度的应力刚度矩阵的比例因子，即([K]+k[S]){“}={，}(1)式中[K]——不考虑轴向应力影响时的单元刚度矩阵；[

5、S]——单元初应力矩阵；k——特征值，即比例因子；{“}——位移向量；{F}——所加载荷向量。}凌翔榉，男，1985年6月生。硕士研究生。江苏省常州市，213016。348化工机械2010正由于线性屈曲的临界载荷值与实际相比存在误差，因此其值只能作为一种参考，实际当中需要考虑到非线性的影响因素，线性屈曲的临界载荷值可以作为非线性屈曲的初始载荷。2．2非线性屈曲非线性屈曲包括几何非线性和双莺非线性。几何非线性的特点是结构在载荷作用过程中产生大的位移和转动，此时材料可能仍保持为线弹性状态。几何非线性计算可采用牛顿一拉普森法

6、、修正牛顿．拉普森法和准牛顿一拉普森法，但是对于非稳定结构，如屈曲问题，就必须采用弧长法，以较快地得到收敛解旧o。双霞非线性分析是既有大变形，又进入塑性状态时的静力分析，用材料性质和几何关系都是非线性的有限元法来研究解决。笔者对双重非线性分析也采用弧长法。弧长法是近年来提出的解决非线性问题的有效方法，它实际上是一种约束条件。在实际应用中，Crisfield法(与牛顿一拉普森法相结合的柱面弧长法)具有较好的普遍适用性，应用较多¨J，其增量方程为：[K]{A8}=A{F}一}R}(2)式中[K]——结构刚度矩阵；{A8}—

7、—位移增量向量；{F}——所加载荷向量；{别——残差载倚向苗；A——控制载荷增量步大小的修正系数。式(2)中控制载荷步因子增量的位移约束条件为：{A6}7{△6}_L2(3)式中{△6}r——{△6}的转置向量；L——柱面弧长。将位移增量向量{A8}分解成{A6，}和{△艿。}，即：{△6}={△6。}+A{△6，}(4)并令：{AS，}=[K]。’}F}(5){△6。}=[K]“{R}(6)式中{A8，}——由所加载荷[，．]产生的位移增量向鼍；{A8。}——由残差载荷产生的位移增量向量。式(5)、(6)代入式(3)

8、中，可以得到关于修正系数A的二次方程：({△6R}+A{A8，})7({△艿R}+A{△6，1)=L2(7)解方程(7)可以得到修正系数A的解。如果得虚根，则￡减半重新计算；如果得两个实根A．和A：，则取较大的为A值。其目的是使本次迭代后的位移增蹙的方向和前一次迭代的结果尽量接近些，以保证解的可靠性。3井架的计算模型与结构参数3．