1、 工程硕士学位论文开 题 报 告研究生姓名 李耀文研究生学号 G1304573工程领域 机械工程培养类别 全日制（） 在职（ ）论文题目 修井作业机井架结构有限元分析及优化校内导师 姜民政校外导师填 写 日 期 2015 年 11 月 15 日东北石油大学研究生学院制表论文题目 修井作业机井架结构有限元分析及优化研究方向 石油工程机械设计论文选题来源 计划项目( )、导师指定( )、自选课题()、其他( )论文形式 产品研发（ ） 工程设计（） 应用研究（ ） 工程/项目管理（ ） 调研报告（ ）预计论文完成日期 2015 年 12 月 20 日学位论文主要研究内容1、阐明修井机的工作原理，根
2、据的设计要求及成熟产品，分别分析其受载荷情况。2、研究用 SolidWorks 软件对井架结构进行三维建模的方法，并对井架三维模型进行合理简化，建立井架结构的有限元模型，计算其在静力作用下的应力应变。3、研究适用于动力学特性分析的各种模态提取方法及其优缺点，基于合理的有限元模态提取方法对井架进行模态分析，得到各阶固有频率，分析其各阶模态和振型。4、研究井架结构在不同载荷情况下的谐响应状态，评价其动态位移响应。5、对井架进行强度校核和稳定性分析。6、研究井架结构优化方法，提出改善受力状况的合理方案。（研究内容逻辑混乱，应重新梳理）(静力学分析受力是否合格，动力学分析动态受载是否可靠，强度校核确定
3、结构使用安全性，最后优化结构形式，这样的逻辑不合理，那请你阐明你的逻辑，我可以发你参考文献，看看其他人是什么逻辑)1、选题的工程背景、目的、工程应用价值背景：修井作业作为油气开发过程中的增产措施工艺，是保障油、水、气井正常工作、 1油气资源得以充分开发的重要施工环节。油、水、气井在开发过程中，常见的损坏有两种：一是结构性损害，如油套管的断裂以及油管丝扣的损坏等；二是注采设备损坏，如抽油泵的磨损失效以及抽油杆的断裂等。出现故障后，只有通过修井作业来进行如更换油管、更换井下采油设备等才能恢复油井正常作业。在油田作业中，修井机是起下管柱和更换井下工具的核心装备。在修井作业过程中，随着修井设备使用频率
4、增加和时间的增长，导致设备的加速老化，作业风险增加；再者，新设备又未能及时补充到修井作业中，原有设备超期服役，会增加检测和后期维护等费用。通过调查研究发现，增产和修井作业次数在我国已达每年十万余次。 （本段应主要说明存在的问题）(红字部分已经写明了存在的问题，如果你自己有什么其他想法，请阐明，不要什么也不说)目的：修井机是油田上用来排除油井故障或调整油井参数，恢复油井正常生产的一种 2作业设备，可以完成油井起下管柱、更换井下工具、深井试油等修井作业。井架是作业机的重要部件之一，用于安放天车、游车、大钩等起升设备和工具，承受起下钻、下套管及其它作业产生的载荷，提供起下钻及存放管柱操作的高度与空间
5、，是一种桅形伸缩结构，属于典型的杆系结构，受力和使用工况复杂。对其进行静强度校核和稳定性的分析是井架设计中的重要环节，传统的计算井架的方法相当繁琐，并且计算时间长，计算误差大。因此有必要采取一种更加快速和通用的计算方法对井架结构受力和动态性能进行评估。 （本段应主要说明解决哪些的问题、有何意义） （红字部分是问题，蓝字部分是研究目的和意义。 ）工程应用价值：在修井作业领域，常用的井架有两种：车载式井架和固定式井架。在 3一些简单的作业比如油水井的增产增注作业，使用固定式井架较为简单，而在对油井的大修作业中需要用到车载式井架。车载式井架大致可分为 700kN、900kN、1020kN、1350k
6、N、1580kN 和 2250kN 等几种负荷，17m、21m、29m 和35m 是修井井架的几种高度规格。井架在修井作业中的地位是无可替代的，其是影响修井作业效率的关键部件，包括结构、搬移方式、作业布置等都能够影响修井作业效率。因此，井架结构的设计、制造的工艺等应该引起重视，否则必然造成严重的后果。因此，对修井机井架结构进行优化研究，制定有效的结构检测及维护方案，是修井机等石油装备制造实现经济性和可靠性急需解决的问题。本课题基于以上原因，针对井架的结构设计、优化以及结构分析方面做出了探讨及解决方案，针对井架的稳定性和强度进行分析等具有现实指导意义，具有重要的工程应用价值。（本段应主要说明产生
7、的效益及影响）（对其他井架的分析具有指导意义，对工程实际具有应用价值，你没给我具体参数和应用场所，我如何估算效益？）2、国内外的研究现状、发展动态美国、加拿大、意大利、德国、挪威和俄罗斯为国外生产修井机的实力最强的国家。主要代表有美国的 NOV 集团（National-oilwell VACRO Group） ，该集团收购了美国大部分修井设备制造公司，是目前全球最大的钻修设备制造商；加拿大皇冠公司和意大利的 SOILMEC（索伊麦克）公司同样具有相当实力，均有自己的特色产品。国外修井机的主要特点是机型多、系列全、适应性强、移运快、易操作、集成度高。国外常规修井机近些年来基本没有新的发展，而特殊
8、用途的修井机发展相对较快，应用了很多新技术、新理念。SOILMEC 公司生产的 MR 系列半拖挂修井机，最具特色的是采用自紧绷绳方式，节省井场安装时间。DRECO 公司生产的整拖钻修机适用于沙漠地区快速搬移，在运输不限高和不限宽的情况下，整机包括钻台和井架可一次拖运。KREMCO 公司生产的斜井修井机能在井眼上方所需的任意角度上就位，并具有良好的稳定性，配有顶驱装置和管具操作系统，司钻室集中控制。GEFCO 公司生产的最新型 SPEEDSTAR 185K 全液压修井机最大的特点是无绞车，采用液压提升，单节井架，取消二层台，单根钻进，顶部装有液压动力回转头，下部装有机械转盘，整机工作效率高，结构
9、紧凑，移运方便。加拿大的 CARDWELL，美国的 PYRAMID MANUFACTURING、IRIINTERNATIONAL 、BRANHAM INDUSTRIES 等公司所生产的沙漠修井机已经在全球各地得到了广泛的推广和使用。从搬迁转运组装特点上，分牵引车拖挂车载式、载重汽车自走运移式、整体撬装组合式三种；从动力传动上，可将国外沙漠修井机分为发动机（柴油机）驱动、液压驱动和电能动力机驱动三种。其中又可将拖挂沙漠修井机分为单、双拖挂两种修井机 1-3。国外的不压井修井作业水平趋于成熟，相关作业设备已近完善，而我国设计研发的不压井作业设备还处在试验阶段，且存在很多问题。目前，国外的作业机市场
10、主要是大型的修井机，所用到的井架一般都是经三维(proe，Solidedeg ，Solidwork 等) 建模和力学计算(ANSYS，I-DEAS 和 Algor 等)后得出的。在石油钻采设备中，如钻井井架、作业机井架等均属典型的由细长杆件组成的空间杆系结构。过去常常把井架简化为平面析架来计算，计算量大，误差也很大 4，近年来，由于电子计算机的广泛应用以及有限元分析软件的出现，使井架的计算逐步趋于简便、准确。利用 ANSYS 对井架进行有限元分析，可以得到各构件的应力、应变及发生的位移，但要想知道各构件的应力是否满足安全性要求，还需要利用 APDL 参数化设计语言等高级分析技术做出进一步的分析
11、比较 5。Ansys 有限元分析软件能够完成多物理场分析，在我国应用极为广泛。尤其在铁道，建筑和压力容器方面应用较多。尽管目前 ANSYS 己经发展成很多版本，但它们核心的计算部分变化不大，只是模块越来越多。在 ANSYS 中提供了很多类型的体素，如立方体、圆柱体、球体和圆锥台等，只要输入与这些体素相关的关键尺寸便可以直接生成它们的实体模型 6。随着形形色色的有限元结构分析软件的出现，使得井架的分析计算变得简单而精确。现今国内主要修井机生产制造厂家都掌握了修井机结构件的有限元分析技术，通过有限元分析的熟练掌握对修井机发展起到至关重要的作用。国外广受好评的有限元分析软件，如 ANSYS、Pro/
12、E 、ABAQUS 等都是国内厂家和科研院所重点引进的，通过软件的强大结构分析功能，可以对井架进行分析，帮助实现结构的改进和优化 7。近年来，我国的研究学者也相继开发了多种有限元分析软件，如由郑州机械研究所等三家公司共同开发的紫瑞 CAE 软件、大连理工大学研究开发的 JIFEX 软件系统、计算所梁国平老师的 FEPG 等。上述有限元分析软件在国内都产生了一定的影响。大多数厂商都建立了钢结构系统的应力应变测试机构，将实际应力测试值与软件分析数据比较，以更好地验证分析数据的准确性，使钢结构的设计更为安全可靠，从而大大缩短结构件从样机到产品定型生产的时间，国内科研机构的研究发现修井机的载荷均值无一
13、例外都服从正态分布，而幅值遵循威布尔分布的原理，这将非常有利于对修井机的可靠性分析 8-11。1 Wang Hui， Zu Ning. Finite element analysis of oil derrick on the mechanicalproperties based on ANSYSC. 2nd International Conference on InformationScience and Engineering， ICISE2010， 12: 1189-1191.2 邹龙庆，付海龙，任国友，等. 基于 IDEAS 的石油井架模态分析J. 钻井工程，2005， 20(7)：
14、59-613 杨宏山，王明阶. XJ-650 型修井机井架静强度有限元分析J. 科技传播，2011， 3:151-152.4刘巨保.石油设备有限元分析.北京:石油工业出版社，19%.5ANSYS Advanced analysis techniques reference.http:.2002-12-16.6张波，吕圣仕.应用 ANsys 软件分析计算钻机井架静应力.石油矿场机械，2004，33(3):39-41.7 倪栋，段进，徐久成. 通用有限元分析 ANSYS7.0 实例精解M. 第一版.北京：电子工业出版，2003：181-1868 Liu Zhi， Yao Ke， Wu Di， Li
15、 Dong， Fu Jiuyan， Wu Jinxia. The finite element analysis of static strength of workover derrick by truckC. 2012 2nd International Conference on Frontiers of Manufacturing Science and Measuring Technology， ICFMM 2012， 918-922.9 Zhu Juan， Zou LongQing， Fu HaiLong. Feasibility design of derrick anchor
16、pile piling position based on ANSYS optimizationC. 4th International Conference on Manufacturing Science and Engineering， ICMSE 2013， 3:246-250.10 魏辽，颜廷俊，刘宇. 基于应力测试数据的 K 形井架模型修正仿真研究 J.石油矿场机械，2010， 39(9)：42-45.11 博弈创作室. ANSYS 经典产品基础教程与实例详解 M. 北京：中国水利水电出版社，2005.3、研究基础大庆油田某公司正在进行新型油井作业机开发，需要对作业机井架进行强度及
17、稳定性计算分析，对传统设计计算方法的计算结果进行验证并对现有设计结构提出改进意见。具体模型的参数和载荷数据等都有现成的模型可供参考。这些都可以作为本课题的研究基础。4、拟采用的研究方案（包括技术路线、技术措施、技术关键）及可行性分析技术路线：主要分以下 7 个步骤完成：1、广泛查阅修井机井架结构的静态和动态特性研究的相关文献，了解该部件及附属结构的研究概况，以及国内外对井架结构的研究方法和主要研究成果，确定课题研究方案。2、了解修井机的工作原理，根据的设计要求及成熟产品，分别分析其受载荷情况。3、应用 SolidWorks 软件对井架结构进行三维建模，并对井架三维模型进行合理简化，建立井架结构
18、的有限元模型，计算其在静力作用下的应力应变。4、分析适用于动力学特性分析的各种模态提取方法及其优缺点，基于合理的有限元模态提取方法对井架进行模态分析，得到各阶固有频率，分析其各阶模态和振型。5、利用 ANSYS 有限元软件进行前处理、分析计算，对井架进行谐响应分析，得到位移响应曲线。6、对井架进行强度校核和稳定性分析。7、在上述分析基础上，对井架结构进行优化，提出改善受力状况的合理方案。技术关键：1、如何对模型进行简化是关键。2、静力学分析中井架结构在不同情况下的受载情况是研究的难点。 （这点不应该？）（不同情况，风载荷计算，受力计算，承重计算以及载荷的组合，不是需要公式和手算的技术关键？）3
19、、模态分析中求解方法的选择和约束条件的处理。4、优化方法中的优化方案确定是最重要的关键点。（没指出技术关键） （四条关键，并非一定是难点，客户是否用心看了）技术措施：1、应用 SolidWorks 软件对井架结构进行三维建模，并对井架三维模型进行合理简化。2、根据工程实际+查资料确定井架受力状态。3、评价各种模态分析中求解方法的优劣，结合 ansys 软件边界条件施加方式进行复核实际的约束条件的处理。4、采用 ansysWorkbench 中的 opt 优化分析模块结合对模型的修改进行参数优化计算。可行性分析：1、SolidWorks 软件是成熟的三维建模工具，而且井架参数都已经确定，可以进行
20、建模。2、学校提供的有 ansys 计算工作站，软硬件设施齐全。3、课题来源于工程实际，有成熟的载荷计算公式和强度分析准则。4、对于井架结构的有限元模拟已经有一些文献和成功案例可供参考，说明该方法得到了工程应用人员的认可。（过分依赖商业软件，自己的工作在哪里？）（你还需要我去做实验，做工程，再回来给你写个毕业论文么？）5、实践/工作单位及开展的研究内容（至少填写一个单位）长城钻探钻井三公司6、可能遇到的技术难题及解决办法技术难题：1、如何对模型进行简化是关键。2、静力学分析中井架结构在不同情况下的受载情况是研究的难点。3、模态分析中求解方法的选择和约束条件的处理。4、优化方法中的优化方案确定是
21、最重要的关键点。解决办法：1、应用 SolidWorks 软件对井架结构进行三维建模，并对井架三维模型进行合理简化。2、根据工程实际+查资料确定井架受力状态。3、评价各种模态分析中求解方法的优劣，结合 ansys 软件边界条件施加方式进行复核实际的约束条件的处理。4、采用 ansysWorkbench 中的 opt 优化分析模块结合对模型的修改进行参数优化计算。（不应对技术关键简单拷贝，两回事）7、预计成果可能达到的水平与结果 通过查阅各种相关的文献资料，了解修井井架结构工作原理特点及相关计算标准规范，比较其各种结构类型，并分析结构特征，通过 ANSYS 软件建立井架的三维模型，再对模型进行施
22、加载荷、施加约束并划分网格，然后对井架进行工作载荷下的受力分析，从而获取井架的应力分布情况。除此以外，还进行了井架的动态特性分析，保证其不会因工况原因导致共振破坏。同时，有限元强度分析方法可以简化计算过程，从而提高设计效率并节省时间。基于分析结果，确定合理的产品结构，不仅降低了成本，更提高了井架的可靠性。在井架静力分析的基础上进行井架的结构优化，在井架优化结构的基础上进行井架的动态特性分析，提高井架的承载能力和使用可靠性，消除事故隐患，提高井架设计质量。本论文可以为工程实际提供指导，同时具有一定的学术价值。8、工作总体安排与进度计划2015 年 7 月-2015 年 8 月：进行论文选题调研2015 年 8 月-2015 年 9 月：进行论文可行性研究2015 年 9 月-2015 年 10 月：进行软件模拟试算2015 年 11 月-2015 年 12 月：完成论文正文部分所需要的数值模拟2015 年 12 月-2016 年 1 月：完成论文正文部分的写作指导教师意见校内导师意见：（最大的问题：重复率？）校内指导教师（签字）： 年 月 日 校外导师意见：校外指导教师（签字）： 年 月 日 开题报告论证会记录
