【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)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(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)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(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。，其微機(jī)版本要求的操作系統(tǒng)為Windows 95/98或Windows NT,也可運(yùn)行于UNIX系統(tǒng)下。微機(jī)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(pán)大于350M，推薦使用17英寸顯示器?！? 啟動(dòng)ANSYS，進(jìn)入歡迎畫(huà)面以后，程序停留在開(kāi)始平臺(tái)。從開(kāi)始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)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(shí)間歷程后處理模塊）。ANSYS用戶(hù)手冊(cè)的全部?jī)?nèi)容都可以聯(lián)機(jī)查閱。用戶(hù)的指令可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過(guò)鍵盤(pán)輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行。如果軟件運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的根源。.LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由ANSYS自動(dòng)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(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，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(diǎn)相連。單元內(nèi)部的待求量通過(guò)選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡(jiǎn)單，易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量之間的方程式，然后將各個(gè)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(duì)方程組求解。從計(jì)算力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，有限元法實(shí)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(guò)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(duì)于一般連續(xù)體來(lái)說(shuō)，單元性能的控制方程通常無(wú)法用靜力法導(dǎo)出，而只能通過(guò)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(gè)具有某種特性的單元，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并對(duì)單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)。b)單元特性分析由于單元小，形狀簡(jiǎn)單，可以選擇簡(jiǎn)單且與單元類(lèi)型相應(yīng)的位移函數(shù)近似地表示每個(gè)單元上真實(shí)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(diǎn)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(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力的關(guān)系矩陣——單元?jiǎng)偠染仃嚒)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(diǎn)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(gè)整體的矩陣方程。d)整體矩陣方程求解引入約束條件，對(duì)結(jié)構(gòu)的總體矩陣方程求解，得到各節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算出節(jié)點(diǎn)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(jī)井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，井架的承載能力計(jì)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(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元組合體來(lái)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(gè)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(dāng)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(lèi)桿件組成，以每根桿件作為一個(gè)單元，那么就可以認(rèn)為該析架或鋼架是由幾個(gè)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(gè)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(gè)點(diǎn)(即節(jié)點(diǎn))，并假定以這些節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。因此柱單元(亦稱(chēng)桿單元)和梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)通常取桿件的兩端。這樣，節(jié)點(diǎn)位移就是桿件端點(diǎn)的線(xiàn)位移和角位移。在有限元計(jì)算里，析架和鋼架的變形狀態(tài)是由桿件端點(diǎn)的線(xiàn)位移和角位移表示的。 對(duì)每個(gè)桿件來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)是桿件的兩端，但如果從結(jié)構(gòu)整體看，節(jié)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)中桿件的連接處。對(duì)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(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞，單元中的內(nèi)力可以用節(jié)點(diǎn)上的力和彎矩表示。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，可以由節(jié)點(diǎn)上的力和彎矩表示，外力也是假定通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳到結(jié)構(gòu)上的。因?yàn)閮?nèi)力是假定通過(guò)節(jié)點(diǎn)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(shí)將載荷轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)力和等效節(jié)點(diǎn)彎矩。 井架結(jié)構(gòu)有限元靜力分析、單元的編寫(xiě)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(diǎn)具有較大剛性，在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)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(jiǎn)化為三維彈性梁?jiǎn)卧˙EAM4）。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(biāo)準(zhǔn)工字鋼聯(lián)接起來(lái)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(shí)承受軸力、雙向彎曲，扭轉(zhuǎn)和雙向剪切作用，因而均簡(jiǎn)化為三維空間梁?jiǎn)卧呛侠淼?。前、后立柱和人字架前、后腿基本上是由普通?biāo)準(zhǔn)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?jiǎn)卧⒂邢拊Ｐ?。前、后立柱與人字架前、后腿，還有一些其它框架都采用單銷(xiāo)鉸接簡(jiǎn)化為梁處理。在進(jìn)行井架單元?jiǎng)澐謺r(shí)，一般將井架主體結(jié)構(gòu)的每一根桿件作為一個(gè)單元，桿件間的連接點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。井架所帶的扶梯、欄桿等附件，因?yàn)閷?duì)井架的承載能力影響很小，可忽略不計(jì)。編寫(xiě)節(jié)點(diǎn)時(shí)節(jié)點(diǎn)編號(hào)自下而上，單元編號(hào)沒(méi)有特殊要求，理論上可以任意編寫(xiě)，但一般為了方便的進(jìn)行單元輸入和計(jì)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(gè)三維梁?jiǎn)卧?，共?jì)113個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體詳見(jiàn)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?jiǎng)澐旨肮?jié)點(diǎn)位置確定以后，還要計(jì)算各個(gè)單元的截面特性參數(shù)，即單元的截面尺寸、兩個(gè)方向的截面模量，以及各節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，然后按照從下到上的順序逐個(gè)輸入坐標(biāo)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(shí)，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(gè)節(jié)點(diǎn)上。：ANSYS軟件可根據(jù)材料密度，自動(dòng)計(jì)算處桿件的重量，并自動(dòng)作用在桿件上，這樣只需在輸入數(shù)據(jù)時(shí)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(tái)處井架前側(cè)的倆個(gè)節(jié)點(diǎn)上。：風(fēng)載是分布載荷，ANSYS軟件在用空間梁?jiǎn)卧?jì)算時(shí)，分布載荷是按固端力處理的。計(jì)算時(shí)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(xiàn)性分布載荷。：人字架底部的四個(gè)節(jié)點(diǎn)全約束，井架主體底部的倆個(gè)節(jié)點(diǎn)各約束五個(gè)自由度，繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度松弛。 節(jié)點(diǎn)、載荷的計(jì)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(jiǎn)化到四個(gè)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(diǎn)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(tái)與井架鉸接處P，計(jì)算如下：風(fēng)壓是沿高度變化的，為了簡(jiǎn)化計(jì)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(guò)立根作用在二層臺(tái)指梁上，最終通過(guò)二層臺(tái)與井架鉸接點(diǎn)作用與井架。因此可以將均布載荷簡(jiǎn)化為集中載荷，求出井架所受的力。如圖44所示，對(duì)O點(diǎn)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(guò)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(jī)械》表996中其中 擋風(fēng)系數(shù) 弦架各構(gòu)件實(shí)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(tái)與井架連接點(diǎn)的受力。 圖45 圖46將連接點(diǎn)處受力向相鄰倆節(jié)點(diǎn)處簡(jiǎn)化，根據(jù)力矩平衡，可求出節(jié)點(diǎn)67673的受力，二層臺(tái)受力折算到節(jié)點(diǎn)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(jì)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(diǎn)載荷從40節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)化為倆端固定的簡(jiǎn)支梁，所受風(fēng)載向倆節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化，則各節(jié)點(diǎn)所受載荷為：其中l(wèi)各單元的長(zhǎng)度（可根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)求出）將同一節(jié)點(diǎn)所受不同單元的力疊加，即可得出各節(jié)點(diǎn)的載荷，見(jiàn)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(diǎn)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(jì)算方法同第二種工況相同，各節(jié)點(diǎn)所受載荷如下表 表48 （單