【正文】 得到整個結(jié)構(gòu)的平衡方程，給出邊界條件，求解平衡方程，即可得出節(jié)點位移。 S8，任一分塊 （330）由于，都含有坐標，所以8節(jié)點正六面體單元，不是常應(yīng)力和常應(yīng)變單元，單元內(nèi)各應(yīng)力和應(yīng)變是坐標的線性函數(shù)。8） （329）將應(yīng)變關(guān)系代入空間問題物理方程式中，有： =DB1 B2 B3 位移函數(shù) 8節(jié)點正六面體單元每個節(jié)點有三個位移分量，節(jié)點位移向量為 （323）取局部坐標系，原點位于正六面體形心位置，如圖33所示，設(shè)正六面體單元的三條棱邊長分別為a,b,，與整體坐標系oxyz的關(guān)系為圖33 正六面體單元 （324）其中設(shè)單元內(nèi)任一點的位移與節(jié)點的位移間的函數(shù)關(guān)系為 (325)在8個節(jié)點上，局部坐標值分別為。正六面體在實際應(yīng)用中對結(jié)構(gòu)邊界的適應(yīng)差，但它是研究其他正六面體單元的基礎(chǔ)，斜直邊六面體單元和曲邊六面體單元都可用正六面體為母單元，經(jīng)坐標變換，進行處理。 六面體單元由于四面體單元結(jié)構(gòu)剖分易出錯，所以在空間問題有限元分析中，常采用六面體單元。將B,D陣代入計算，把單元剛度矩陣按節(jié)點分塊形式表示。在得出單元內(nèi)任一點的應(yīng)變后，將式(317)代入空間問題的物理方程（37）中，則單元內(nèi)任一點的應(yīng)力與節(jié)點位移關(guān)系為令稱為應(yīng)力矩陣，根據(jù)（38）式和（318）式進行計算，得出 （319），顯然4節(jié)點四面體單元也是常應(yīng)力單元。用矩陣表示為 （35） 其中H是微算子矩陣f為體積力向量，f= 幾何方程幾何方程表示應(yīng)變與位移間的關(guān)系，在微小位移和微小變形的情況下，略去位移的高階微量，則應(yīng)變與位移間的關(guān)系為（36）用矩陣表示為 物理方程物理方程為（37）將應(yīng)力用應(yīng)變表示出來，寫成矩陣形式有，其中D稱為空間問題的彈性矩陣，表示為 （38） 四節(jié)點四面體單元在空間問題有限元分析中，最簡單的空間單元是4節(jié)點四面體單元，四面體的四個頂點為節(jié)點，每個節(jié)點有三個自由度，設(shè)單元的四節(jié)點編號為1，2，3，4，單元的節(jié)點位移向量， (39)圖32 四面體單元設(shè)各節(jié)點的坐標為（）（為1，2，3，4）單元內(nèi)各點的位移用節(jié)點位移的線性多項式表示 ( 310)其中(為12個待定系數(shù)，他們有單元節(jié)點上的位移和坐標決定，將4個節(jié)點的坐標和u方向的位移代入式（310）的第一個式子中，各節(jié)點在x方向的位移為 （311）解式（311）表示的線性方程組，求出，并將其式310的第一個式子中，得 （312） 四邊體單元的形函數(shù) （313）其中, 在各參數(shù)的下標按循環(huán)輪轉(zhuǎn)變化，就可以求出全部16個系數(shù)，用同樣的方法可以可以求出,這樣單元內(nèi)任一點三個位移的函數(shù)為 (314）用矩陣表示為u= （315） 形函數(shù)矩陣的分塊可表示為 （316）由于位移函數(shù)是線性的，并且包含了常數(shù)項，相鄰單元交界面上的位移是連續(xù)的，所以4節(jié)點四面體單元是完備性的協(xié)調(diào)元。圖31 空間應(yīng)力向量6個獨立的應(yīng)力分量表示為 （31） 三個位移向量表示為 （32）6個獨立的應(yīng)變分量用向量表示為 （33） 平衡方程在空間彈性體內(nèi)任一點沿直角坐標x,y,z,方向的平衡方程。 空間問題的基本方程空間彈性結(jié)構(gòu)在載荷作用下，任一點的應(yīng)力狀態(tài)可用如下圖31所示的六面體表示，有三個正應(yīng)力分量，根據(jù)剪應(yīng)力互等定律，有三個獨立的剪應(yīng)力風量。應(yīng)用有限元法對剛架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，分析步驟是先建立單元剛度矩陣，考慮到單元局部坐標系與結(jié)構(gòu)的整體坐標系不一致，需要將在局部坐標系內(nèi)的單元剛度矩陣轉(zhuǎn)換為整體坐標系內(nèi)的單元剛度矩陣，然后按照整體剛度矩陣的集成原理將所有的單元剛度矩陣合成為整體剛度矩陣，最后得到整個結(jié)構(gòu)的平衡方程。，由于兩種作業(yè)不是同時進行，鉆井工況又可分為大鉤靜載荷工況和轉(zhuǎn)盤梁靜載荷工況，考慮到所有可能出現(xiàn)的載荷所產(chǎn)生的最不利影響，而對井架底座來說，主要按一種工況考慮，即最大轉(zhuǎn)盤梁載荷工況。 本章小結(jié)，井架底座的主要工作狀態(tài)是鉆井操作，此工作狀態(tài)承受的載荷比較復(fù)雜，選擇合適的載荷工況，才能反映出鉆機井架底座的實際承載情況。鉆機井架底座的安裝載荷工況包括井架底座的起升，相比之下，對井架底座的強度影響都比較小。鉆機井架底座的主要載荷工況為轉(zhuǎn)盤梁靜載荷工況。至于附加作業(yè)及處理事故工況，在井架底座的結(jié)構(gòu)分析是無法考慮的，除非結(jié)合一次具體的附加作業(yè)事故處理。 底座載荷工況的確定以上分析研究了鉆機井架底座可能承受的載荷，實際上上述載荷并不是同時作用在鉆機井架及其底座上，要進行分析必須確定對其影響最大的工況。但在優(yōu)化設(shè)計中，對某些在工作狀態(tài)受力很小的構(gòu)件，運輸載荷可作為它們的截面設(shè)計的約束條件之一。構(gòu)件的慣性力和沖擊力可用比例系數(shù)乘以構(gòu)件的自重來考慮。經(jīng)過測試和理論分析，拖運的牽引力為鉆機底座在地面間的摩擦力，它等于底座耕犁地面和淤積于底座結(jié)構(gòu)內(nèi)部的泥土產(chǎn)生的綜合阻力二者之和。鉆機在平原地區(qū)油田鉆井時，遷移新井位一般采用整體拖運的方式。本文研究的井架底座是旋升式底座，所有的鉆井設(shè)備在鉆機使用前可全部安裝在底座上，開始使用鉆機時，首先起升井架，然后再把底座起升到工作位置。溫度變化使得結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，井架底座的工作環(huán)境一般是露天，工作條件惡劣，晝夜溫差變化大，且結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，因此，在一些溫度變化大的地域工作的井架底座應(yīng)考慮溫度的影響。自然載荷對鉆機井架底座的施加具有一定的隨機性，而且受鉆機的使用地區(qū)及鉆井地區(qū)環(huán)境的影響較大，目前在鉆機設(shè)計中，對風載荷的影響已有規(guī)范可查。 自然載荷井架及其底座承受的自然載荷包括：風載荷、冰雪載荷、溫度載荷和地震載荷。（2）最大的套管柱重量最大的套管柱重是作用在鉆機底座的轉(zhuǎn)盤梁的載荷。由立根自重及立根排所受風載（風載的大小與最大承風面積有關(guān)）引起的立根載荷，它通過二層臺指梁按水平方向作用到井架相應(yīng)節(jié)點上，在垂直方向直接作用在底座立根盒梁上。井架底座的工作載荷包括：最大的套管柱重，立根和立根盒載荷等。設(shè)備與工具的重量，可根據(jù)選用的設(shè)備與工具的規(guī)格，從產(chǎn)品目錄和技術(shù)手冊中查取。鉆機底座承受的恒載，除底座構(gòu)件的自重外，主要是轉(zhuǎn)盤、絞車及其它設(shè)備的重量。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及有關(guān)文獻，鉆機井架底座所承受的載荷主要包括：恒定載荷、工作載荷、自然載荷、安裝載荷、整體拖運和運輸載荷，動態(tài)井架的動力載荷。由于鉆機井架及其底座承受載荷的復(fù)雜性，在結(jié)構(gòu)分析中，選擇合適的載荷工況是至關(guān)重要的，載荷工況選擇不當，分析計算結(jié)果將不能反映鉆機井架及其底座的實際承載情況，就失去了結(jié)構(gòu)分析的意義。精確的結(jié)構(gòu)分析取決多個因素，首先應(yīng)當明確鉆機井架底座的載荷工況，在運移、安裝、起升及操作過程中，鉆機井架底座處于不同的工作狀態(tài)，工作狀態(tài)的不同，承受載荷也不同。另外，石油鉆機井架底座要使用大量的鋼材，過分保守的結(jié)構(gòu)設(shè)計將造成鋼材的不必要浪費。為保證鉆機井架底座在使用壽命期限內(nèi)能安全可靠地承受設(shè)計載荷，不能發(fā)生強度破壞及較大程度的變形或失穩(wěn)，否則將影響正常的鉆井操作，嚴重情況下將導(dǎo)致井架傾覆，造成設(shè)備和人身的重大損失。最后根據(jù)最新API Spec 4F 《鉆井與修井結(jié)構(gòu)規(guī)范》載荷設(shè)計的要求，進行ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座整體系統(tǒng)的靜力學(xué)有限元仿真。所有這些對于我們深入了解該鉆機井架底座的力學(xué)性能提供強有力的幫助，可以有效避免鉆井現(xiàn)場危險事故的發(fā)生，計算結(jié)果可反過來指導(dǎo)超深井鉆機井架底座結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計，指導(dǎo)井場作業(yè)人員的操作，對我國石油鉆機井架底座的設(shè)計制造有著積極的指導(dǎo)作用。因此，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS建立合理的ZJ120/9000DB超深井鉆機井架底座整體的力學(xué)模型，對其進行整體的靜動態(tài)特性分析，詳細了解惡劣工況下的位移和應(yīng)力分布情況。超深井鉆機井架底座的安全性能直接影響到鉆井的經(jīng)濟效益和現(xiàn)場工作人員的生命安全。整個起鉆過程首先由起升設(shè)備上提鉆具，全露方鉆桿，讓鉆柱座在轉(zhuǎn)盤上，接著旋下方鉆桿，將方鉆桿－水龍頭放進大鼠洞里，然后提升鉆柱到一立根高度（一般指2～3單根的組成長度），使用吊卡或卡瓦使鉆柱座在轉(zhuǎn)盤上，由大鉗和貓頭（或松扣氣缸）松扣，接著由上鉗卡住接頭，正向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤卸扣，同時移動立根進入鉆桿盒和二層臺指梁中，摘開吊卡，再下放空吊卡到井口，如此重復(fù)上述操作，完成連續(xù)起下立根，每一立根構(gòu)成一起鉆操作循環(huán)。隨著正常鉆進的繼續(xù)進行，井眼不斷加深，需要不斷地接長鉆桿柱，故而中間要簡單完成接單根操作（每次接入一根鉆桿），以保證鉆進的連續(xù)性。 將由鉆頭、鉆艇、方鉆桿組成的鉆桿柱下入井中，使鉆頭接觸井底，準備鉆井，這樣的過程叫做下鉆。與此同時，開動泥漿泵循環(huán)泥漿，沖洗井底，攜出巖屑，保護井壁，冷卻鉆具。 正常鉆進又稱純鉆進，是鉆井生產(chǎn)獲得進尺的唯一手段。目前一般陸上鉆機，底座井架的重量約占鉆機總重量的30～40%為宜。對中、小型鉆機底座，設(shè)計時必須考慮鉆機整拖要求。第二，應(yīng)有合理