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井下防噴器實(shí)驗(yàn)臺瞬態(tài)動力沖擊仿真研究

文檔作者：徐濤1，劉清友2 文檔來源： 1．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2．西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年08月13日
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第32卷第08期計(jì)算機(jī)仿真2015年08月
文章編號：1006—9348(2015)08—0260—05
井下防噴器實(shí)驗(yàn)臺瞬態(tài)動力沖擊仿真研究
徐濤1，劉清友2
(1．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院四川成都610500；
2．西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川成都610500)
摘要：新型井下防噴器在室內(nèi)試驗(yàn)過程中會產(chǎn)生瞬態(tài)躍變力，會對配套的實(shí)驗(yàn)臺形成較大瞬態(tài)動力沖擊，使實(shí)驗(yàn)臺的整體受
力情況在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，對實(shí)驗(yàn)過程的安全性造成隱患。提出結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)理論和有限元仿真軟件，在瞬態(tài)
沖擊時(shí)間歷程載荷步范圍內(nèi)，對實(shí)驗(yàn)臺所承受的動力沖擊進(jìn)行解算，得到實(shí)驗(yàn)臺在整個(gè)沖擊歷程中的應(yīng)力分布規(guī)律和選定
節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動變化規(guī)律，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)臺主框架最大應(yīng)力值出現(xiàn)在三角筋板與立柱連接處，實(shí)驗(yàn)臺預(yù)定節(jié)點(diǎn)加速度變化
趨勢滿足載荷加載趨勢，沖擊載荷作用于頂梁下表面且瞬間沖擊的能量在向頂梁上表面?zhèn)鬟f過程中有所削弱，并在相應(yīng)室
內(nèi)試驗(yàn)中對該結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)優(yōu)化和試驗(yàn)過程的安全性提供參考。
關(guān)鍵詞：瞬態(tài)；動力沖擊；井下防噴器；實(shí)驗(yàn)臺；仿真
中圖分類號：THl33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
Analysis of Flow Field Simulation
of Marine Drilling Single Riser System
XU Ta01，LIU Qing—you2
(1．School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；
2．School of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan
610500，China)
ABSTRACT：Downhole BOP produces transition force which forms a large transient dynamic impact for the experi—
mental table during the indoor test，this impact makes the whole force of experimental table change dramatically in a
very short time．a(chǎn)nd causes a hidden trouble to the safety of the experimental process．Combining the theory of transient
dynamics and finite element simulation software，we solved the dynamic impact of experimental table in the
process of the transient impact time load step，obtained the stress distribution of experimental table，and changed rule
of the selected node movement component in the whole impact process．The simulation results show that the maximum
stress appears in the joint of triangle stiffened plate and column of the experimental table main frame，the acceleration
trend of the experimental table predetermined node meets the load loading trend，the impact load loading at the soffit
of tlle top beam and instant impact energy is weakened to upper surface of the top beam during the transfer．a(chǎn)nd cornpletes
the laboratory tests to verify the corresponding results，which provides a reference for the optimization design
and security of test procedures such this experiment table．
KEYWORDS：Transient；Dynamic impact；Downhole BOP；Experimental table；Emulation
1 引言
井下防噴器是井下防噴系統(tǒng)的核心裝置之一，其不僅作
為鉆柱的組成部分來懸掛下部鉆具和傳遞鉆井扭矩，還能向
基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)(項(xiàng)目編號：201IZX05050)
收稿日期：2015—03—18修回13期：2015一04-02
．---——260----——
地面控制中心及時(shí)反饋在井下所處的工作狀態(tài)信息。井下
防噴器中的推塊碟簧機(jī)構(gòu)受外載荷會產(chǎn)生瞬態(tài)躍變力，該力
能對鉆柱懸重產(chǎn)生改變，地面鉆井控制中心利用捕捉到的鉆
柱懸重變化規(guī)律信息來對井下防噴器的工作狀態(tài)以及所處
井下環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
利用瞬態(tài)動力學(xué)相關(guān)理論，已能對諸如探月器沖擊著
陸?、架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)振動心1和汽車驅(qū)動橋橋殼危險(xiǎn)點(diǎn)
萬方數(shù)據(jù)
查找【31等問題分析計(jì)算。
為在室內(nèi)試驗(yàn)階段對新設(shè)計(jì)的井下防噴器工作性能進(jìn)
行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)制造了與此相配套的井下防噴器實(shí)驗(yàn)臺，如圖1
所示。為保證實(shí)驗(yàn)臺在受到工具所產(chǎn)生的瞬態(tài)躍變沖擊力
作用時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性滿足要求，使用有限元仿真和瞬
態(tài)動力學(xué)的相關(guān)理論對這一試驗(yàn)過程進(jìn)行分析研究，為該類
實(shí)驗(yàn)臺達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)過程的安全性提供
依據(jù)。
圖1 實(shí)驗(yàn)臺整體三維結(jié)構(gòu)圖
2瞬態(tài)動力沖擊過程建模
根據(jù)井下防噴器自身尺寸、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)功能要求和實(shí)驗(yàn)臺
安裝地點(diǎn)限制等因素，設(shè)計(jì)制造出井下防噴器實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)
臺主要承載井下防噴器封隔過程中瞬態(tài)沖擊的部件為使用
工字鋼制造的實(shí)驗(yàn)臺主框架，受力分析如圖2所示。
瞬態(tài)動力分析使用結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布的離散和一致時(shí)間度
量來對結(jié)構(gòu)瞬態(tài)過程的加速度和速度進(jìn)行描述，并可對該過
程中的任意時(shí)間載荷歷程響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。對于受瞬態(tài)沖擊
的實(shí)驗(yàn)臺載荷響應(yīng)求解采用Newmark時(shí)間完全積分法H“]，
該方法采用完整系統(tǒng)矩陣計(jì)算結(jié)構(gòu)模型，對受載情況下的瞬
態(tài)響應(yīng)分析功能最為強(qiáng)大。
對于井下防噴器實(shí)驗(yàn)臺這一線彈性結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)
方程為：
M五+Bu+F。。=F(t) (1)
上式中：
膨一質(zhì)量矩陣；
B一阻尼矩陣；
越一節(jié)點(diǎn)加速度向量；
五一節(jié)點(diǎn)速度向量；
巳一結(jié)構(gòu)內(nèi)力向量；
F(t)一施加載荷量。
圖2 實(shí)驗(yàn)臺主框架受力分析圖
對式(1)進(jìn)行時(shí)間微分運(yùn)算，可得：
M?i+疏+Ku=F(t) (2)
上式中K為剛度矩陣，假定方程在有限時(shí)間段血內(nèi)有效，式
(2)可轉(zhuǎn)化為：
MAu+BAit+KAu=aF(t) (3)
采用Newmark法進(jìn)行迭代計(jì)算得到：
M／／叫嘗圳n壘學(xué)=籌¨丟叭等△u
(4)
將結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程式(1)進(jìn)行線性化處理，可得：
M／／+B五+KM—Ku4+，：=F(t) (5)
采用Newmark法可得到遞推關(guān)系為：
一型A△t2u△+萼u+△石Ⅱ△+ⅡKA+ⅡⅡ
=F(t)一Rjlf擴(kuò)+(巖+曰)擴(kuò)+M擴(kuò)(6)
依據(jù)Newmark時(shí)間步進(jìn)法對實(shí)驗(yàn)臺在受沖擊載荷作用
時(shí)的節(jié)點(diǎn)速度和加速度進(jìn)行求解：
u。+l=u‘+(At)五i+(0．5一盧)(At)2五i+盧(At)2五i+l
(7)
五f+l=五f+[(1一y)At]五f+(yAt)五f+l (8)
式(7)和式(8)中，參數(shù)y和盧定義了時(shí)間載荷步內(nèi)加速度
的變化。
預(yù)先設(shè)定實(shí)驗(yàn)臺選定節(jié)點(diǎn)的初始位移量H。和初始速度
量五。，利用式(7)和(8)對方程(1)進(jìn)行初始計(jì)算，獲得節(jié)點(diǎn)
初始加速度值／／o：
¨止等墊(9) uo 2————石——一Ly J
再設(shè)置瞬態(tài)沖擊的時(shí)間載荷步為血，為使該算法獲得穩(wěn)
定求解?，At需要滿足的關(guān)系為孚≤上-蘭一，可得到1n酉,／2√1—23
—261—
萬方數(shù)據(jù)
中間剛度矢量值七和系數(shù)A和弘的值：
“n艫+志肘(10)
A_分+靜(11)
弘-△t(荔一)趴扣(12)
依據(jù)選定節(jié)點(diǎn)的初始計(jì)算結(jié)果，對每一個(gè)時(shí)間步i中的速度
增量A反和加速度增量△五。進(jìn)行計(jì)算：
△t=△‘+A五；+／x五。(13)
△u。：TA Fi
(14)
“i 2蓋血；一弘“t(-一茜)玩(15)
峨=忐她一志諍南玩(·6)
依次類推，可得到節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)間步i+1內(nèi)的位移量M。、
速度量喀+，和加速度量遠(yuǎn)+．：
uf+l=uf+Au‘ (17)
也+。=也+A也(18)
五Ⅲ=遠(yuǎn)+A遠(yuǎn)(19)
由式(6)可得到實(shí)驗(yàn)室在受時(shí)間歷程載荷沖擊過程中的
應(yīng)力隨載荷步的變化，再由式(17)一式(19)可獲得選定節(jié)
點(diǎn)在瞬態(tài)沖擊過程中的運(yùn)動參量變化規(guī)律。
3實(shí)驗(yàn)臺瞬態(tài)動力沖擊仿真過程
依據(jù)模擬井下防噴器封隔過程的需要，在室內(nèi)試驗(yàn)過程
中，對實(shí)驗(yàn)臺主框架底座約束條件設(shè)置為全約束，由實(shí)驗(yàn)臺
的加載器提供使井下防噴器推塊碟簧機(jī)構(gòu)動作的初始載荷，
同時(shí)井下防噴器在工作過程中會到實(shí)驗(yàn)臺產(chǎn)生沖擊載荷。
使用ANSYS有限元仿真軟件進(jìn)行瞬態(tài)分析過程中舊‘10|，時(shí)
間載荷步△t為0．001S，時(shí)間載荷子步為0．0001S，時(shí)間歷程
沖擊載荷F(t)采用Ramped斜坡形式，分五個(gè)階段步對實(shí)驗(yàn)
臺架主框架頂梁進(jìn)行加載，時(shí)間載荷步結(jié)束時(shí)間為0．005s，
圖3為時(shí)間載荷步加載圖。
圖3時(shí)間載荷步加載圖
4仿真結(jié)果分析
瞬態(tài)動力沖擊仿真分析求解完成后，得到五個(gè)時(shí)間載荷
步中實(shí)驗(yàn)臺的應(yīng)力分布情況，如圖4所示，仿真計(jì)算結(jié)果如
表1所示。該實(shí)驗(yàn)臺由普通熱軋工字鋼(Q235)加工制造而
成，材料的屈服極限值為235MPa。實(shí)驗(yàn)臺主框架在整個(gè)時(shí)
間歷程載荷作用過程中，實(shí)驗(yàn)臺的最大應(yīng)力出現(xiàn)在主框架三
角筋板與立柱的連接處，該處成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺在瞬態(tài)沖擊實(shí)
驗(yàn)過程中的危險(xiǎn)點(diǎn)，最大應(yīng)力值為79．2MPa，小于材料的屈
服極限值，滿足安全使用的要求。
口一?？阝?
匝Ⅲ
圖4實(shí)驗(yàn)臺主框架應(yīng)力分布圖
表1 瞬態(tài)動力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果
選取位于實(shí)驗(yàn)臺主框架頂梁下表面的A節(jié)點(diǎn)(如圖5所
示)，使用時(shí)間歷程變量工具得到該節(jié)點(diǎn)在x軸向、Y軸向及
z軸向三方向上的速度分量曲線(VX一5、VY一6、VZ一7)和
加速度分量曲線(AX一2、AY一3、AZ一4)(如圖6所示)。Y
軸向的速度變化先增加，后達(dá)到一定數(shù)值后保持穩(wěn)定，加速
度變化先增加到一個(gè)峰值后逐漸減小到趨于平緩；X軸向和
z軸向上速度變化趨于平緩，增量極小；加速度變化在x軸
向近乎趨近于0，在z軸向的加速度先為負(fù)后趨近于0，且在
兩軸向上的變化趨勢都很小。
再選取位于實(shí)驗(yàn)臺主框架頂梁上表面的B節(jié)點(diǎn)(如圖5
所示)，節(jié)點(diǎn)在x軸向、Y軸向及z軸向三方向上的速度分量
曲線(VX—ll、VY一12、VZ一13)和加速度分量曲線(AX一
8、AY一9、AZ一10)(如圖7所示)，與選取的A節(jié)點(diǎn)相比較，
萬方數(shù)據(jù)
州』014
速度o∞
圖5節(jié)點(diǎn)位置分布圖
圖6 A節(jié)點(diǎn)三軸向速度及加速度分置圖
B節(jié)點(diǎn)速度變化趨勢近似一致，且位于頂梁下表面的A節(jié)點(diǎn)
的速度變化最大值與最小值均大于B節(jié)點(diǎn)；B節(jié)點(diǎn)在z軸向
的速度值為正值，位于Y軸向的速度趨勢曲線之上并大于A
節(jié)點(diǎn)的值。B節(jié)點(diǎn)Y軸向的加速度變化趨勢與A節(jié)點(diǎn)一致，
x軸向的加速度數(shù)值趨近于0，z軸向的加速度為正值。
呻St鉑0 18
Ⅵ一：二O 1●
0 12
VⅢ0 I
速度o∞
圖7 B節(jié)點(diǎn)三軸向速度及加速度分量圖
依據(jù)分析結(jié)果，所取實(shí)驗(yàn)臺上的預(yù)定節(jié)點(diǎn)加速度變化趨
勢滿足載荷加載趨勢，即受載Y方向上的第一個(gè)時(shí)間載荷步
完成后加速度達(dá)到最大值，而與載荷方向垂直的x軸向和z
軸向上的加速度變化趨勢極小。
載荷作用于頂梁下表面且瞬間沖擊的能量在傳遞過程
中有所削弱，導(dǎo)致位于下表面的節(jié)點(diǎn)加速度和速度變化幅度
大于位于上表面的節(jié)點(diǎn)。所取節(jié)點(diǎn)的速度變化趨勢與加速
度變化趨勢滿足運(yùn)動學(xué)關(guān)系，在受載的Y軸向上速度變化最
后趨于平穩(wěn)，加載由瞬態(tài)逐漸向穩(wěn)定方向過渡，實(shí)驗(yàn)臺的受
載變化情況也趨向平穩(wěn)受力，瞬態(tài)沖擊作用逐漸結(jié)束。
5室內(nèi)試驗(yàn)
在仿真分析的基礎(chǔ)上，對井下防噴器及實(shí)驗(yàn)臺的部件進(jìn)
行加工制造，并開展相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，如圖8所示，采用三軸加
速度傳感器測定實(shí)驗(yàn)臺在受瞬態(tài)沖擊過程中的加速度變化，
并安裝在實(shí)驗(yàn)臺頂梁下表面，測定時(shí)間區(qū)間與仿真模擬過程
的時(shí)間歷程相一致，測試結(jié)果如圖9所示。
圖8井下防噴器室內(nèi)試驗(yàn)
8070 j，、二篇篡+{ ‘ 。-
+測點(diǎn)垌加j噩崖
∞∞||』J I-． 。 測點(diǎn)z向加速度
。-
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1。0 o{冀l彗一袋簍囂—囂囂饕二n=}寶、"搴聿#橐《#$e一吣疆～t《it=一
試驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)臺能承受井下防噴器在膠筒壓縮坐
封過程中的瞬態(tài)沖擊，結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，測點(diǎn)加速度變化
趨勢與仿真計(jì)算結(jié)果符合較好，能較好的保證室內(nèi)試驗(yàn)的安
·--——263．-———
∞∞加∞∞蚰∞ 一2溫
∞∞伯∞∞帕∞∞加0
m
翼一：蛾
萬方數(shù)據(jù)
全進(jìn)行。
6結(jié)論
1)實(shí)驗(yàn)臺主框架在受瞬態(tài)沖擊載荷作用時(shí)，最大應(yīng)力
值出現(xiàn)在三角筋板與立柱連接處，形成較危險(xiǎn)的區(qū)域。
2)實(shí)驗(yàn)臺的預(yù)定節(jié)點(diǎn)加速度變化趨勢滿足載荷加載趨
勢，沖擊載荷作用于頂梁下表面且瞬間沖擊的能量在向頂梁
上表面?zhèn)鬟f過程中有所削弱，所取節(jié)點(diǎn)的速度變化趨勢與加
速度變化趨勢滿足運(yùn)動學(xué)關(guān)系。
3)使用有限元仿真軟件得到瞬態(tài)沖擊結(jié)果，并通過現(xiàn)
場試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺能經(jīng)受井下防噴器試驗(yàn)過程產(chǎn)生的瞬時(shí)
沖擊力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
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(上接第238頁)
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[9] 任學(xué)平，等．基于SolidWorks與Workbench的轉(zhuǎn)爐齒輪軸制動
階段瞬態(tài)動力學(xué)分析[J]．機(jī)械傳動，2014，11(38)：136—144．
[10] 董作見，等．基于Rayleigh—Ritz法的伸縮臂瞬態(tài)動力學(xué)分析
‘J：．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015，(1)：184—190．
[作者簡介]
徐濤(1989一)，男(漢族)，四川省閬中市人，碩
士研究生。主要研究領(lǐng)域?yàn)楹Ｑ笫脱b備設(shè)計(jì)與仿
真研究。
劉清友(1966～)，男(漢族)，重慶市開縣人，教授，
博士生導(dǎo)師，教育部長江學(xué)者，中國計(jì)算機(jī)用戶協(xié)
會仿真應(yīng)用分會理事。主要研究領(lǐng)域?yàn)橛蜌庋b備設(shè)計(jì)與仿真研究及
相關(guān)工作。
[9] 趙振保，翟慧兵，王鳳．綜放工作面粉塵運(yùn)動的數(shù)值模擬及試
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ventilation and dust flow behaviour above fixl underground bin and
the design of an innovative dust mitigation system[J]．Tunnelling
and Underground Space Technology，2014，44：241—254．
[作者簡介]
胡承歡(1989一)，男(漢族)，湖南郴州人，碩士研
究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈V山通風(fēng)除塵，除塵器設(shè)備
研制及計(jì)算機(jī)仿真。
夏毅敏(1967一)，男(漢族)，江西永新人，教授，博
士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榱黧w傳動與控制技術(shù)、
掘進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)與研究。
卜英勇(1944一)，男(漢族)，安徽蕪湖人，教授，博士生導(dǎo)師，主要
研究領(lǐng)域?yàn)榈V山通風(fēng)除塵設(shè)備的研制，設(shè)備管理，除塵脫硫設(shè)備的
研制。
謝信(1990一)，男(漢族)，湖南永州人，碩士研究生，主要研究除
塵設(shè)備設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真。

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