HXJ90B海洋修井机井架静力结构分析.pdf

2004ANSYS中国用户论文集

HXJ90B海洋修井机井架静力结构分析
王春梅刘永勤何军国

南阳石油机械厂，473065

[摘要]根据海洋修井机井架的实际结构特点，建立了弹性基础上的三维有限元模型，按9种工况
对该修井机井架的有限元模型进行加载，应用有限元分析软件ANSYS5.5进行分析计算，给
出了可靠的计算结果。在对结果进行分析的基础上提出了改进该井架结构的建议。

[关键词]海洋修井机；井架；有限元法；结果；分析

StaticanalysisofmodelHXJ90Boffshoreworkoverrigderrick
WANGChun-meiLIUYong-qinHEJun-guo

NanyangPetrleumMachinePlant;473065

[Abstract]Three-dimensionfiniteelementmodelbasedontheelastictheorywasbuiltaccordingto
theactualstructureofoffshoreworkoverrigderrick.Ninesortsofloadsarerespectively
exertedonthefiniteelementmodel.Then,thespecialfiniteelementsoftwareANSYS5.5for
calculationwasusedtoobtainreliableresult.Finally,basedontheanalysisofcalculation
result,itwassuggestedthatthestructureofderrickshouldbeimproved.

[Keyword]Offshoreworkoverrig;Derrick;Finiteelementmethod;Result;Analysis.

1前言

南阳石油机械厂设计并制造了HXJ90B型海洋修井机。它的井架是一个空间刚架结构，
在移运、安装及操作过程中承受多种静、动态载荷作用。按照供需双方的技术协议：修井
机设施要满足拆装、搬迁安全快捷，单件橇块限重7吨以下，整套修井机设施限重60吨以
下。因此改进修井机的结构以降低其重量，前提是必须保证组成修井机的每一个构件在使
用寿命期限内能安全可靠地承受各种设计载荷，不能发生强度破坏及较大程度的变形和失
稳。因此建立能够准确反映修井机井架在承载过程中各构件的受力及变形的力学模型，采
用高效、可靠的计算方法进行分析计算是十分必要的，由于该结构的复杂性，对其进行结
构分析采用有限元法。本文应用ANSYS5.5软件对HXJ90B修井机井架进行分析计算，获
得了满意的效果。

2井架结构特点与有限元模型的建立

总的来说该井架是一个由16Mn型钢焊接件构成，以梁和柱为主的空间杆系刚架结构。
因此，在对该井架进行有限元分析时，可将杆件与杆件的焊接连接处取为节点，两节点之
间的杆段取为单元。单元类型的选择主要考虑各个构件的尺寸大小以及承受载荷的情况。

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井架的起升梁及天车底座梁虽然是由钢板焊接成的箱形梁，截面尺寸较大，但纵向尺寸更
大，另外可能同时承受轴向力、双向弯曲，扭转和双向剪切的作用，因此均简化为三维空
间梁单元是合理的。只是箱形梁也简化为三维空间梁单元有一定的近似性，其精确分析按
有限元中的子结构法较为简单。井架立柱及连接横撑、斜撑均是由标准方管、人字架前后
腿是由标准宽翼缘H型钢焊接而成的框架结构，按它们可能的受力情况应采用三维空间梁
单元建立有限元模型。
为简化模型，便于分析，在确定井架的计算模型时，做以下几点假设：二层台本体与
撑杆、井架主体之间，井架主体与人字架立柱之间均为单销连接，应用ANSYS软件提供
的自由度耦合来约束其它方向的自由度，仅保留绕z轴的相对转动自由度来模拟；井架的
其他节点均为刚性连接；忽略护拦、护梯和二层台栏杆的影响；约束底部的所有自由度。
这样，整个井架共划分了202个三维空间梁单元，128个节点，井架模型是采用ANSYS5.5
软件提供的GUI交互式建立的（如图1）示。

图1
3加载与求解

根据中国海洋石油总公司企业标准Q/HS及API规范等设计原始资料，HXJ90B型修井
机井架的设计载荷为：大钩能够承受的极限工作载荷，即最大静钩载900KN，风载（满载
70节、空载93节），井架起升00、70、90、120、150的起升载荷及地震载荷等。因此，本
次结构分析也分这几种工况分别进行了有限元计算与结果分析。
工况1：井架自重+最大钩载；
工况2：井架自重+最大钩载+正面承受风速为36m/s(70节)的风载；
工况3：井架自重+最大钩载+斜向承受风速