【文章內(nèi)容簡介】 多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。，其微機版本要求的操作系統(tǒng)為Windows 95/98或Windows NT,也可運行于UNIX系統(tǒng)下。微機版的基本硬件要求為：顯示分辨率為1024768，顯示內(nèi)存為2M以上，硬盤大于350M，推薦使用17英寸顯示器?！? 啟動ANSYS，進入歡迎畫面以后，程序停留在開始平臺。從開始平臺（主菜單）可以進入各處理模塊：PREP7（通用前處理模塊），SOLUTION（求解模塊），POST1（通用后處理模塊），POST26（時間歷程后處理模塊）。ANSYS用戶手冊的全部內(nèi)容都可以聯(lián)機查閱。用戶的指令可以通過鼠標點擊菜單項選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行。如果軟件運行過程中出現(xiàn)問題，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。.LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個批處理文件中，在以后進行同樣工作時，由ANSYS自動讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進行某些重復(fù)性較高的工作時，能有效地提高工作速度。 有限元分析方法的基本思想和分析步驟 有限元方法的基本思想有限元法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散成一系列單元，單元之間僅靠節(jié)點相連。單元內(nèi)部的待求量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡單，易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點量之間的方程式，然后將各個單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，記入邊界條件后即可對方程組求解。從計算力學(xué)的角度來說，有限元法實際上是一種適用于一般連續(xù)體分析的矩陣分析方法，它的物理概念和分析過程與桿件體系的矩陣分析法基本上是一致的，所不同的主要是對于一般連續(xù)體來說，單元性能的控制方程通常無法用靜力法導(dǎo)出，而只能通過能量法或虛功原理近似地求得。 有限元分析的步驟a)結(jié)構(gòu)離散化將結(jié)構(gòu)離散成有限個具有某種特性的單元，計算出各節(jié)點的坐標，并對單元和節(jié)點編號。b)單元特性分析由于單元小，形狀簡單，可以選擇簡單且與單元類型相應(yīng)的位移函數(shù)近似地表示每個單元上真實的位移分布。將所有作用在單元上的力(如表面力、體積力、集中力)等效地移置為節(jié)點載荷，這樣就可以應(yīng)用力學(xué)的變分原理，獲得單元的平衡方程組。獲得單元平衡方程組的關(guān)鍵在于建立單元內(nèi)節(jié)點位移與節(jié)點力的關(guān)系矩陣——單元剛度矩陣。c)建立整體矩陣方程將各單元的剛度矩陣集合成整體剛度矩陣各單元的等效節(jié)點載荷向量集合成總的載荷向量，把整體結(jié)構(gòu)的各單元矩陣方程合并成一個整體的矩陣方程。d)整體矩陣方程求解引入約束條件，對結(jié)構(gòu)的總體矩陣方程求解，得到各節(jié)點的位移，進而計算出節(jié)點的應(yīng)變和應(yīng)力。 有限元法分析井架的基本原理 根據(jù)鉆機井架的結(jié)構(gòu)特點，井架的承載能力計算采用有限元法分析，有限元法是目前最有效的一種結(jié)構(gòu)分析方法。有限元法是要把分析的結(jié)構(gòu)物，離散為有限個形狀簡單的單元組合體來考慮。井架結(jié)構(gòu)(包括析架式并架和鋼架式井架)是由有限個梁，柱組合成的平面結(jié)構(gòu)或空間結(jié)構(gòu)，因此把梁和柱當作有限單元是很自然的。平面彬架或空間鋼架是由幾根柱類桿件組成，以每根桿件作為一個單元，那么就可以認為該析架或鋼架是由幾個單元組成。 結(jié)構(gòu)受載荷作用產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)中每個單元也產(chǎn)生變形。在有限元法里，考慮在單元上選定若干個點(即節(jié)點)，并假定以這些節(jié)點的位移確定各單元的變形狀態(tài)。 若以梁或柱作的為單元，自然就把桿件兩端作為單元變形狀態(tài)的定義點。因此柱單元(亦稱桿單元)和梁單元的節(jié)點通常取桿件的兩端。這樣，節(jié)點位移就是桿件端點的線位移和角位移。在有限元計算里，析架和鋼架的變形狀態(tài)是由桿件端點的線位移和角位移表示的。 對每個桿件來說，節(jié)點是桿件的兩端，但如果從結(jié)構(gòu)整體看，節(jié)點就是結(jié)構(gòu)中桿件的連接處。對桿件中的內(nèi)力(力和彎矩)，有限元法假定單元中的內(nèi)力一律通過各個節(jié)點傳遞，單元中的內(nèi)力可以用節(jié)點上的力和彎矩表示。因此，整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，可以由節(jié)點上的力和彎矩表示，外力也是假定通過節(jié)點傳到結(jié)構(gòu)上的。因為內(nèi)力是假定通過節(jié)點傳遞的，如果外力不遵照同樣的假定，可根據(jù)材料力學(xué)知識將載荷轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點力和等效節(jié)點彎矩。 井架結(jié)構(gòu)有限元靜力分析、單元的編寫井架是一種典型的空間桿系結(jié)構(gòu)，井架主體為焊接結(jié)構(gòu)，節(jié)點具有較大剛性，在載荷作用下會產(chǎn)生相當大的拉壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，有限元分析模型中將井架主體結(jié)構(gòu)簡化為三維彈性梁單元（BEAM4）。左、右基座及左、右上座分別由兩根焊接工字鋼作為主梁，用普通標準工字鋼聯(lián)接起來構(gòu)成，雖然主梁的截面尺寸較大，但縱向尺寸更大，再者它們可以同時承受軸力、雙向彎曲，扭轉(zhuǎn)和雙向剪切作用，因而均簡化為三維空間梁單元是合理的。前、后立柱和人字架前、后腿基本上是由普通標準工字鋼焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，按它們可能的受力情況應(yīng)采用三維空間梁單元建立有限元模型。前、后立柱與人字架前、后腿，還有一些其它框架都采用單銷鉸接簡化為梁處理。在進行井架單元劃分時，一般將井架主體結(jié)構(gòu)的每一根桿件作為一個單元，桿件間的連接點作為一個節(jié)點。井架所帶的扶梯、欄桿等附件，因為對井架的承載能力影響很小，可忽略不計。編寫節(jié)點時節(jié)點編號自下而上，單元編號沒有特殊要求，理論上可以任意編寫，但一般為了方便的進行單元輸入和計算結(jié)果處理，將材料和幾何面積相同桿件按順序編在一起。例如，井架大腿、橫桿、斜桿分別為不同的幾何截面形狀，則先編大腿各桿件，在編橫桿，最后是斜桿。所以本井架共劃分了216 個三維梁單元，共計113個節(jié)點，具體詳見圖紙“井架有限元網(wǎng)格圖”。井架（人字架、前后立柱、斜撐）采用 16Mn，其它部分采用 Q235。在單元劃分及節(jié)點位置確定以后，還要計算各個單元的截面特性參數(shù)，即單元的截面尺寸、兩個方向的截面模量，以及各節(jié)點的位置坐標，然后按照從下到上的順序逐個輸入坐標值，建立井架有限元模型。井架的有限元模型如下圖所示。 圖41在有限元分析時，一般按以下原則將載荷作用在井架上：：按集中應(yīng)力處理，平均分成四份垂直向下，作用在井架頂部四個節(jié)點上。：ANSYS軟件可根據(jù)材料密度，自動計算處桿件的重量，并自動作用在桿件上，這樣只需在輸入數(shù)據(jù)時將各桿件的材料密度輸入即可。：平均分成倆份，水平作用在二層臺處井架前側(cè)的倆個節(jié)點上。：風(fēng)載是分布載荷，ANSYS軟件在用空間梁單元計算時，分布載荷是按固端力處理的。計算時先用風(fēng)壓值乘以桿件與風(fēng)向垂直的投影面的密度，將風(fēng)載轉(zhuǎn)換為線性分布載荷。：人字架底部的四個節(jié)點全約束，井架主體底部的倆個節(jié)點各約束五個自由度，繞x軸的轉(zhuǎn)動自由度松弛。 節(jié)點、載荷的計算第一種工況作用在井架頂部的最大垂直載荷F=2530KN將F簡化到四個大腿上，Q= 表41 XYZ109 0011000112 0011100 圖42第二種工況=230KN，在此力作用下節(jié)點所受載荷如下表 表42 XYZ109 0011000112 0011100將立根斜靠水平分力和立根所受的風(fēng)載折算到二層臺與井架鉸接處P，計算如下：風(fēng)壓是沿高度變化的，為了簡化計算，可以將風(fēng)載沿立根高分段（共分為四段）折算成均布載荷，如圖43。 圖43風(fēng)載通過立根作用在二層臺指梁上，最終通過二層臺與井架鉸接點作用與井架。因此可以將均布載荷簡化為集中載荷，求出井架所受的力。如圖44所示，對O點取矩，根據(jù)力矩平衡，有： 圖44由表32中F值可求得：由于風(fēng)通過迎風(fēng)面后，背風(fēng)面的風(fēng)壓是有所減小的，因此，背風(fēng)面的風(fēng)載還應(yīng)該在迎風(fēng)面風(fēng)載的基礎(chǔ)上乘以風(fēng)壓消弱系數(shù)m。根據(jù)《石油鉆采機械》表996中其中 擋風(fēng)系數(shù) 弦架各構(gòu)件實際承風(fēng)面積的總和 F平面弦架的外輪廓面積則由插值法可查得風(fēng)壓消弱系數(shù) m=根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可求出二層臺與井架連接點的受力。 圖45 圖46將連接點處受力向相鄰倆節(jié)點處簡化，根據(jù)力矩平衡，可求出節(jié)點67673的受力，二層臺受力折算到節(jié)點上的載荷如下表表43X（N）Y(N)Z(N)Mx()My()Mz()68000115572000242456900010657300022375 3．井架所受風(fēng)載的計算井架在10米以下所受風(fēng)載很小，可忽略。根據(jù)井架的結(jié)構(gòu)，節(jié)點載荷從40節(jié)點算起，因風(fēng)壓沿高度變化，可以將風(fēng)載沿井架分段折算成均布載荷。根據(jù)井架結(jié)構(gòu)，將風(fēng)載分為4段均布載荷，每段風(fēng)壓如下表 表44 X軸方向的風(fēng)壓Y軸方向的風(fēng)壓~~~~41此均布載荷的集度 q=P*b 其中 P單元所在處的風(fēng)壓 b單元的投影寬度Y方向的投影寬度 主面橫桿=300mm 主面斜桿=100mm 弦桿 =400mmX方向的投影寬度主面橫桿=300mm 主面斜桿=100mm 弦桿 =400mm各單元簡化為倆端固定的簡支梁，所受風(fēng)載向倆節(jié)點簡化，則各節(jié)點所受載荷為：其中l(wèi)各單元的長度（可根據(jù)節(jié)點坐標求出）將同一節(jié)點所受不同單元的力疊加，即可得出各節(jié)點的載荷，見下表： 表45 （單位：N）FxFyFz4004104204304404504604704804905005105205305405505605705805906006106206306406506606706806907007107207307407507607707807908008108208308408508608708808909009109209309409509609709809901000101010201030104010501060107010800109011001110112011300第三種工況1. 井架靜載荷=230KN，在此力作用下節(jié)點所受載荷如下表 表46 （單位：N） XYZ109 0011000112 00111002. 井架所受風(fēng)載 表47 X軸方向的風(fēng)壓Y軸方向的風(fēng)壓~~~~計算方法同第二種工況相同，各節(jié)點所受載荷如下表 表48 （單