钻机井架多尺度模型界面连接实现与力学分析
                                                     邵 婷，刘金梅
                              (东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆〓163318)
     多尺度模型自提出以来，已被广泛应用于大型结构中，成为结构检测和安全评估的重要方法之一。以钻机井架为研究对象，针对井架在以往有限元仿真过程中出现的问题，采用多尺度模拟方法进行局部节点与杆件的应力响应分析。利用ANSYS有限元软件，引入多点约束方程法实现多尺度之间的界面连接，从而保证施加的力能够在不同尺度单元间的正常传递。分别对钻机井架多尺度模型与传统模型进行力学行为分析，对比结果验证了钻机井架多尺度模型的合理性与有效性。


    钻机井架作为钻井的重要工具，其种类与生产规模在不断扩大，因此对钻机井架的有限元计算成为了一项重要的任务。目前在对钻机井架进行有限元分析时，一般是采用梁杆系单元进行网格划分；对于复杂构件、节点的局部结构有时采用壳单元、实体单元进行建模分析。但上述方法有其不足之处：对于简化的全梁单元，虽然计算量小，整体上可以模拟出井架的力学性能，但由于过多的简化难以反映结构的破坏机理，一些关键部位不能获得满意的结果，无法做到全面有效的分析［1］；若采用壳或实体单元进行局部杆件的分析，虽然能较好地体现其破坏机理，但建模工作量巨大且受到计算机能力的限制，对于复杂结构完全采用这类模型不够现实。即使从整体结构中提取部分杆件进行分析，其边界条件也很难精确确定，难免会导致分析结果与实际情况有差别［2］。因此对井架的有限元计算需要一种多尺度模型，既可以整体反映井架的力学行为，又能局部模拟杆件的受力情况。

    多尺度模拟在当代多个科学领域中已被广泛应用，它是平衡计算精度和计算代价间的重要途径之一。本文利用有限元软件对井架结构进行整体建模与静力分析，从中找出受力薄弱的部位。

1多尺度钻机井架建模方法
    在对钻机井架的整体结构进行分析时，全梁单元无法反映出局部构件的信息，例如传统井架结构模型常常把节点简化为刚性节点，但是实际节点处的连接方式一般为焊接、铆接等，这样简化节点难免会出现一些问题。一方面，实际井架节点并非不会坏的刚性节点，井架在搬运过程中，节点连接处的磕碰对井架结构的影响很大；另一方面，过多的简化使模型失去了原有钻机的特点，很难反映局部杆件的受力情况［3］。因此，为了能在整体结构分析过程中观察局部构件的力学信息，并建立更准确的力学模型，需要对井架结构进行多尺度建模。
    多尺度模型构造分为尺度分离和尺度间耦合两种［4］，对于实际工程结构建立的多尺度模型属于尺度间耦合，即选择合适的尺度分析模型，实现不同尺度模型计算之间的协同作用［5］。可以借助大型有限元软件，如ANSYS软件，基于子结构或多点约束的方法，整体框架仍采用大尺度梁单元，局部构件采用小尺度实体单元，来建立钻机井架多尺度模型［6］。对模型力学分析时，施加的载荷并非直接作用在小尺度构件上，而是作用在大尺度模型上。本文主要采用MPC算法进行钻机井架的多尺度建模。

1.1MPC算法
    多尺度计算的关键在于怎样合理地连接不同尺度的单元。在对工程结构的分析中，如何利用多点约束法实现梁单元与实体单元之间的界面连接，....

作者简介：邵婷(1992—)，女，辽宁锦州人，东北石油大学硕士研究生，主要研究方向为机械工程


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