一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法与流程

本发明涉及工程
技术领域：
，具体地说是涉及一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法。
背景技术：
：传统的钻塔结构的设计方式有几种：(1)通过增大钻塔设计时的安全系数来保证钻塔结构的安全可靠，这种方式会使钻塔结构笨重，成本较高。(2)通过运用计算机软件对钻塔结构进行优化设计，这种方式也只是在其结构薄弱部位加大其强度和刚度，不能从钻塔的整体结构出发进行协调，使其具备最优化动态特性。(3)通过对所设计结构进行现场实验分析，不断进行优化,这种方式设计周期长，成本高。在钻探施工过程中，钻塔的工况十分复杂。首先，整个钻塔结构都为钢材，本身的质量就较大，并且上面还安放有动力头、提引器等装置，随着钻进深度的增加，钻杆节数不断增多，钻塔承受的静载荷会越来越大。而在起升末和制动时，钢丝绳上也会承受较大的动载荷，动载荷的大小与制动时的操作密切相关，钢丝绳上的载荷直接传到了塔架上。另外，在一些特殊情况下，由于操作人员的失误，会出现猛刹和猛提的现象，还有处理孔内事故时的强力起拔、地层非均质引起的钻进冲击等，这些情况都会加大塔架的动载荷。因此，仅仅对钻塔进行静强度设计是不能满足施工使用要求的，对钻塔进行动态特性设计和校核是非常有必要的。模态分析是近代分析结构动力特性的一种方法,模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，这些模态参数可以由计算或实验分析取得。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。因此在钻探领域，尤其对槽钢结构桅杆式钻塔很有必要找到影响槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性的几个主要影响因素，找到槽钢结构桅杆式钻塔的模态振型及模态频率的变化特性，得到模态频率与影响因素的量化关系，并建立一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法。技术实现要素：本发明的目的是为了解决传统钻塔结构的设计中存在的问题，而提供一种用于设计和分析槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性的分析方法，且本方法不需要通过复杂的计算就可以得出槽钢及桅杆式钻塔的模态频率，及能够清晰直观的了解到模态频率随各影响因素的变化趋势。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法，按如下步骤操作：步骤一：运用模态实验来验证模态仿真分析方法的可靠性；⑴、以一个槽钢结构为试件进行模态实验，对其进行实验模态分析，进一步对模态实验数据进行分析，得到本次试验结构的模态频率；⑵、运用三维建模软件对该槽钢结构进行三维实体建模，然后导入到模态分析软件中，附加对应的材料属性，设置与模态实验相同的约束条件，然后进行模态仿真分析，得到本次仿真结构的模态频率；⑶、对模态实验和模态仿真两种方法的结果进行误差分析，若两种模态分析结果的误差在10％以内，则验证模态实验和模态仿真的结果是正确可靠的；步骤二：选择不同型号槽钢进行自由模态分析，通过数据分析，得到了各种型号槽钢的模态振型随槽钢截面的宽高比改变的变化特性，及模态频率与槽钢截面的宽高比的函数关系式；①、从国标所规定的5～40号槽钢的型号中，均匀选取N种型号的槽钢，运用三维建模软件建立所选取的槽钢的模型；长度都取为相同，分别对所选取的各个型号槽钢进行自由模态仿真分析，得到所述N种型号槽钢的模态频率和模态振型；②、取前5阶模态参数，对N种型号槽钢的振型进行分析，将同一种模态振型所对应的模态频率和阶次进行归类；③、对归类后的数据进行分析，对各种型号槽钢的模态振型随槽钢截面的宽高比改变的变化特性进行了归纳，得到了模态频率与槽钢截面的宽高比的函数关系式；步骤三：提出各种设计形式的桅杆式钻塔的模态频率的通用计算方法；ⅰ、桅杆式钻塔的主体结构由两根同型号的槽钢构成，槽钢型号和装配距离决定了钻塔结构的尺寸，钻塔的主体结构采用不同的槽钢型号和装配距离进行组合，得到多种结构形式的桅杆式钻塔；ⅱ、通过对所构成的多种不同的槽钢型号和装配距离组合结构形式的钻塔进行系列模态分析，得到各种形式钻塔的各阶模态频率，其中以槽钢截面宽高比为变量代替槽钢型号，通过数据分析，得到了塔架结构的各阶模态频率随距离和槽钢截面宽高比的函数关系。本发明步骤二中所述的模态振型形式随槽钢截面的宽高比改变的变化特性为：(1)、b/h≥2.264时，不会发生侧弯振型；b/h＜2.264时，有侧弯振型，发生在弯曲振型之后；(2)、b/h＜1.86时，弯曲二次振型比扭转一次振型先发生；(3)、b/h＞2.54时，先发生扭转振型，再发生弯曲振型；1.35＜b/h＜2.54时，先发生弯曲振型，再发生扭转振型；b/h＝2.54时为过渡阶段，第一二阶为先弯曲振型再扭转振型，大于第三阶为先扭转振型再弯曲振型。(4)、1.86＜b/h＜2.54之间，三阶振型为组合振型；(5)、b/h越大，振型越来越复杂。本发明步骤二中所述的各种振型形式所对应的模态频率与槽钢截面的宽高比的函数关系式为：弯曲一次振型形式的模态频率与惯性矩的关系f(q)＝10.62ln(q)-93.221(1)弯曲两次振型形式的模态频率与惯性矩的关系f(q)＝25.48ln(q)-211.56(2)弯曲三次振型形式的模态频率与惯性矩的关系f(q)＝34.875ln(q)-228.29(3)其中：公式(1)、(2)、(3)中的q为槽钢截面绕Y轴惯性矩；扭转一次振型形式的模态频率与宽高比的关系f(x)＝-0.8409x3+20.371x2-116.35x+228.43(4)扭转两次振型形式的模态频率与宽高比的关系：f(x)=51.124x2-227.62x+419.88x≤2.41421.728x3-190.04x2+540.96x-409.98x>2.414---(5)]]>其中：公式(4)、(5)中的x为槽钢截面的宽高比。本发明步骤三中所述的得到塔架结构的各阶模态频率与装配距离和构成钻塔的槽钢截面的宽高比的函数关系为：塔架结构的第一阶模态频率随装配距离和宽高比的变化的函数关系式为f(x，y)＝-20.66+38.04x+0.01504y-10.87x2+5.783×10-4xy-1.033×10-4y2+1.199x3+4.307×10-4x2y-4.648×10-5xy2+2.887×10-7y3(6)塔架结构的第二阶模态频率随装配距离和宽高比的变化的函数关系式为f(x，y)＝43.76+28.72x-0.4801y-11.83x2+0.04395xy+1.244×10-3y2+1.42x3+4.813×10-4x2y-4.24×10-5xy2-1.23×10-6y3(7)塔架结构的第三阶模态频率随装配距离和宽高比的变化的函数关系式为f(x，y)＝-48.23+110.3x-0.1685y-39.87x2+0.07446xy+4.286×10-4y2+4.665x3-0.0105x2y-6.191×10-5xy2-7.667×10-7y3(8)同理第四阶：f(x，y)＝-98.67+170.1x+0.1082y-63.88x2+0.01489xy-7.602×10-4y2-0.02134x2y+2.945×10-4xy2-2.436×10-7y3(9)第五阶：f(x，y)＝42.91+9.849x+0.2669y-2.519x2-0.07193xy-1.067×10-3y2+0.874x3-0.01006x2y+1.745×10-4xy2+1.291*10-6y3(10)第六阶：f(x，y)＝-256.1+271.9x+1.283y-65.64x2-0.7603xy-2.042×10-3y2+5.645x3+0.08x2y+5.673×10-4xy2+1.64×10-6y3(11)第七阶：f(x，y)＝-98.84+171.6x-0.31y-42.06x2-0.1117xy+1.696×10-3y2+3.745x3+0.01941x2y+3.118×10-5xy2-2.223×10-6y3(12)其中：公式(6)～(12)中的x为构成钻塔的槽钢截面的宽高比，y为装配距离。本发明的槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法与现有技术相比具有如下优点：⑴.本发明的槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法可根据较少的参数就能精确确定所分析钻塔结构的模态振型和模态频率，有效地避免了复杂的模态分析过程。运用本发明的方法可根据给定钻进工况下产生的各种激振频率，通过选择最合适型号槽钢和桅杆式钻塔的装配尺寸，得到最优的装配方案，并且可计算出所设计最优化桅杆式钻塔结构的模态频率，检验模态频率可有效避开各种激振频率。⑵.本发明的方法阐明了槽钢及槽钢结构桅杆式钻塔的模态参数的本质特征，无需对桅杆式钻塔结构进行现场模态实验和模态仿真分析，分析过程简单，周期短，成本低，通用性强。⑶.运用本发明的方法能够掌握所分析的槽钢结构桅杆式钻塔的模态频率的变化趋势，通过改变槽钢宽高比等相关参数使钻塔模态频率向符合工况条件的方向进行调整，为结构设计和结构优化提供了依据。附图说明图1为本发明对槽钢结构桅杆式钻塔进行槽钢立臂模态仿真实验的现场图。图2为本发明中钻塔的槽钢立臂的模态实验数据的分析结果。图3依次为槽钢扭转一次、弯曲一次、扭转两次、弯曲两次的模态振型形式表达图。图4为仿真分析时槽钢所在坐标系图及槽钢截面宽b、高h示意图。图5为弯曲一次振型形式的模态频率与槽钢截面的惯性矩的关系图。图6为弯曲两次振型形式的模态频率与槽钢截面绕Y轴的惯性矩的关系图。图7为弯曲三次振型形式的模态频率与槽钢截面绕Y轴的惯性矩的关系图。图8为扭转一次振型形式的模态频率与槽钢截面的宽高比的关系图。图9为扭转两次振型形式的模态频率与槽钢截面的宽高比的关系图。图10为桅杆式钻塔的主体结构图。图11为桅杆式钻塔主体结构及钻塔截面尺寸图。图12为塔架第一阶模态频率随装配距离和构成钻塔的槽钢截面宽高比的曲面图。图13为塔架第二阶模态频率随装配距离和构成钻塔的槽钢截面宽高比的曲面图。图14为塔架第三阶模态频率随装配距离和构成钻塔的槽钢截面宽高比的曲面图。上述图中：1—槽钢立臂；2—传感器；3—弹性绳；4—型材支架；y—两槽钢装配距离；A—槽钢型号。具体实施方式下面结合附图对本发明的一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。实施例1：本发明提供一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法，具体按如下步骤操作：步骤一：运用模态实验来验证模态仿真分析方法的可靠性；⑴、按照桅杆式钻塔结构，以钻塔的一根槽钢立臂1为试件，采用弹性绳悬挂的约束方式，运用锤击法进行自由模态实验分析，实验现场参见图1，槽钢立臂1通过弹性绳3悬挂在型材支架4中间，槽钢立臂1上安装有各种测量用的传感器2，实验结束后，通过对实验数据进行分析处理，可以得到图2的钻塔槽钢立臂的模态实验数据，通过拾取图中的峰值点，可得到槽钢立臂1的各阶模态频率；⑵、运用三维建模软件对上述钻塔的槽钢立臂进行三维实体建模，然后导入到ANSYS软件中，附加对应的材料属性，进行网格划分，然后进行自由模态仿真分析，同样得到槽钢立臂1的各阶模态频率；⑶、分别取模态仿真分析和模态实验分析得到的前8阶模态进行误差分析，得到两种分析方法的误差结果如表1所示。表1模态实验与模态仿真分析结果比较阶次第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶第7阶第8阶模态仿真50.2765.194.4174.34210.68299.48328.23417.97模态实验52.9366.7493.84181.25209.78297.31324.37423.17差值2.661.640.5566.9150.9042.1693.865.207百分比5.29％2.52％0.59％3.97％0.43％0.72％1.18％1.25％由表1可以得出，误差百分比基本在5％以内，相互印证了两种模态分析方法的正确性和可靠性。步骤二：对不同型号槽钢进行自由模态分析，以槽钢截面的宽高比为自变量，得到的模态振型及模态频率的变化特性的函数关系；①、从国标所规定的5～40号槽钢型号中，均匀选取N种型号槽钢，本实施例选取N＝9，即选9种型号槽钢进行分析，分别为5、8、12、16、20、24、28、32和36型号，长度都取为钻塔的高度为2.6m。分别对所选取的各个型号槽钢进行自由模态分析。②、取其前8阶模态参数进行分析，可以得到选取的9种型号槽钢的前8阶模态频率和模态振型。对9种型号槽钢的振型进行分析，将同一种模态振型所对应的模态频率和阶次进行归类，得到表2。振型形式的表达如图3所示。从表2可知，同种振型的模态频率变化是单调的，且弯曲变形为单调递增，扭转变形为单调递减。表2同一种模态振型所对应的模态频率和阶次归纳随着阶次的升高，复合变形越来越多。由于结构的振型主要由其前几阶模态振型贡献，因此本实施例主要描述槽钢结构的前5阶模态振型。③、钻塔所用槽钢可视为细长杆，忽略其长度因素，因此，槽钢的各阶模态振型的变化与其截面几何尺寸有密切联系，而模态频率与模态振型一一对应。而槽钢截面的惯性矩和宽高比是表征槽钢截面尺寸的重要变量，如图4所示。各个型号槽钢截面的宽高比和惯性矩计算结果如表3所示。表3各种型号槽钢的截面参数5号8号12号16号18号20号24号28号32号36号40号宽高比值1.351.862.2642.542.652.743.083.413.643.754.0惯性矩8.3E+41.7E+53.7E+57.3E+59.86E+51.3E+61.7E+62.2E+63.0E+64.5E+65.92E+6极惯性矩3.43E+51.18E+63.84E+79.4E+61.37E+71.91E+73.2E+75.0E+77.8E+81.23E+81.82E+8本发明中惯性矩是将坐标系平移到截面重心后的计算结果，单位mm4；弯曲指绕Y轴，侧弯绕Z轴，扭转绕X轴。本发明以各型号槽钢的宽高比为变量，通过对表2的数据进行归纳整理，可得到如下特性(b/h为槽钢截面宽高比)：(1)、b/h≥2.264时，不会发生侧弯振型；b/h＜2.264时，有侧弯振型，发生在弯曲振型之后；(2)、b/h＜1.86时，弯曲二次振型比扭转一次振型先发生；(3)、b/h＞2.54时，先发生扭转振型，再发生弯曲振型；1.35＜b/h＜2.54时，先发生弯曲振型，再发生扭转振型；b/h＝2.54时为过渡阶段，第一二阶为先弯曲振型再扭转振型，大于第三阶为先扭转振型再弯曲振型。(4)、1.86＜b/h＜2.54之间，三阶振型为组合振型；(5)、b/h越大，振型越来越复杂。对于给定的任意一种型号的槽钢，综合上述所有结论就可推测出其前5阶模态振型形式及各阶次顺序。结合表2的数据，运用数值分析软件，本发明分别以槽钢截面绕y轴惯性矩和槽钢截面的宽高比为自变量，各种模态振型形式的模态频率值作为因变量，弯曲振型对应的频率值采用惯性矩，运用对数函数进行拟合，扭转振型对应的频率值采用宽高比，运用对数函数多项式进行拟合，得出拟合曲线图和函数关系式分别如下：弯曲一次振型形式的模态频率与惯性矩的关系f(q)＝10.62ln(q)-93.221(1)上式对应的拟合曲线图如图5所示。弯曲两次振型形式的模态频率与惯性矩的关系f(q)＝25.48ln(q)-211.56(2)上式对应的拟合曲线图如图6所示。弯曲三次振型形式的模态频率与惯性矩的关系f(q)＝34.875ln(q)-228.29(3)上式对应的拟合曲线图如图7所示。其中：公式(1)、(2)、(3)中的q为槽钢截面绕Y轴惯性矩；扭转一次振型形式的模态频率与宽高比的关系f(x)＝-0.8409x3+20.371x2-116.35x+228.43(4)上式对应的拟合曲线图如图8所示。扭转两次振型形式的模态频率与宽高比的关系：f(x)=51.124x2-227.62x+420x≤2.41421.728x3-190x2+541x-410x>2.414---(5)]]>上式对应的拟合曲线图如图9所示。其中：公式(4)、(5)中的x为槽钢截面的宽高比；因此，对于给定的任意型号槽钢，首先根据其截面的宽高比，综合运用步骤二中所述的5条模态振型随槽钢截面的宽高比改变的变化特性，可以得出给定槽钢的前5阶模态振型形式及顺序，然后根据上述各种振型形式对应的模态频率计算式，结合槽钢的截面尺寸，可计算出各振型对应的模态频率，由此便得出了给定槽钢的前5阶模态振型和前4～5阶模态频率。步骤三：提出各种设计形式的桅杆式钻塔的模态频率的通用计算方法；ⅰ、桅杆式钻塔的主体结构由两根同型号的槽钢构成，如图10所示，槽钢型号A和装配距离y决定了钻塔结构的尺寸，如图11所示。本发明选取多组不同槽钢型号A和不同装配距离y，通过不同的组合，可以构成多种不同结构形式的桅杆式钻塔；ⅱ、针对各种结构形式的钻塔做了模态仿真分析，通过对分析结果进行数据分析，将槽钢型号用对应的槽钢截面的宽高比代替。如表4所示为塔架结构的第一阶模态频率随装配距离和槽钢型号的变化。表4塔架结构的第一阶模态频率随两槽钢装配距离y和槽钢型号A的变化将表4中的数据点利用多项式拟合可得函数关系式为f(x，y)＝-20.66+38.04x+0.01504y-10.87x2+5.783×10-4xy-1.033×10-4y2+1.199x3+4.307×10-4x2y-4.648×10-5xy2+2.887×10-7y3(6)上式对应的拟合曲面图如图12所示。塔架结构的第二阶模态频率随装配距离和宽高比的变化的函数关系式为f(x，y)＝43.76+28.72x-0.4801y-11.83x2+0.04395xy+1.244×10-3y2+1.42x3+4.813×10-4x2y-4.24×10-5xy2-1.23×10-6y3(7)上式对应的拟合曲面图如图13所示。塔架结构的第三阶模态频率随装配距离和宽高比的变化的函数关系式为f(x，y)＝-48.23+110.3x-0.1685y-39.87x2+0.07446xy+4.286×10-4y2+4.665x3-0.0105x2y-6.191×10-5xy2-7.667×10-7y3(8)上式对应的拟合曲面图如图14所示。同理第四阶：f(x，y)＝-98.67+170.1x+0.1082y-63.88x2+0.01489xy-7.602×10-4y2-0.02134x2y+2.945×10-4xy2-2.436×10-7y3(9)第五阶：f(x，y)＝42.91+9.849x+0.2669y-2.519x2-0.07193xy-1.067×10-3y2+0.874x3-0.01006x2y+1.745×10-4xy2+1.291*10-6y3(10)第六阶：f(x，y)＝-256.1+271.9x+1.283y-65.64x2-0.7603xy-2.042×10-3y2+5.645x3+0.08x2y+5.673×10-4xy2+1.64×10-6y3(11)第七阶：f(x，y)＝-98.84+171.6x-0.31y-42.06x2-0.1117xy+1.696×10-3y2+3.745x3+0.01941x2y+3.118×10-5xy2-2.223×10-6y3(12)其中：公式(6)～(12)中的x为构成钻塔的槽钢截面的宽高比，y为装配距离。实施例2：本发明一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法的运用实例。这是一种通过测量已有桅杆式钻塔结构的尺寸，计算该结构的模态频率，从而分析该钻塔所适用的工况条件。已有一根桅杆式钻塔结构的槽钢立臂1，槽钢立臂使用型号为20的槽钢，槽钢立臂长细比超过6比1，即可视为细长杆。已知其截面的宽高比为2.857，现在要确定该型号为20的槽钢结构模态频率及模态振型。首先，根据步骤二中得到的槽钢模态振型随槽钢截面宽高比的5条变化特性进行分析：根据第一条特性，型号为20的槽钢，槽钢的模态振型不会发生侧弯，根据第三条特性，槽钢的模态振型先发生扭转，再发生弯曲。因此，综上所述可以得出槽钢的前5阶模态振型依次是扭转一次、弯曲一次、扭转两次、弯曲两次、扭转三次。然后，根据步骤三中得到的槽钢各振型对应的模态频率与槽钢截面宽高比和惯性矩的函数关系式计算可得：扭转一次：f(x)＝-0.8409x3+20.371x2-113.35x+228.43(4)，此时x＝2.857；计算可得振型为扭转一次的模态频率为42.68Hz；同理计算可得振型为扭转两次的模态频率为91.05Hz。弯曲一次：f(q)＝10.62ln(q)-93.221，此时q＝1.58×106mm4；计算可得振型为弯曲一次的模态频率为58.36Hz；同理，弯曲两次振型的模态频率为152.11Hz；弯曲三次的模态频率为269.48Hz。综合上述，可得下表：阶次123456模态振型扭转1次弯曲1次扭转2次弯曲2次扭转3次弯曲3次模态频率42.6891.0558.36152.11略269.48其中，振型形式为扭转3次的模态振型多为复合振型，不予考虑。实施例3：本发明的一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法的运用实例。这是已知槽钢结构桅杆式钻塔的工况，设计新的槽钢结构桅杆式钻塔。已知槽钢结构桅杆式钻塔的工况为：动力头转速3000r/min，激振频率为50Hz，减速器输出轴600r/min，激振频率为10Hz，三牙钻头，激振频率为30Hz，设计新的槽钢结构桅杆式钻塔。这时若初始参数选择型号为16的槽钢，截面宽高比为2.54，装配距离为150mm，则根据步骤三得出的钻塔各阶模态频率与槽钢截面宽高比和装配距离的函数关系式，可以计算出这种结构形式的钻塔的各阶模态频率，将其与工况条件中的激振频率比较，如果频率有重合或频率比较接近，则需要进一步调整装配距离或改用其它型号槽钢，然后进一步计算。通过改变参数，可以找到一组参数，使计算出的各阶模态频率远离激振频率值，从而获得更优化的槽钢结构桅杆式钻塔结构。实施例4：为本发明的一种槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法的运用实例。这是对一种已有一台槽钢结构桅杆式钻塔，调整优化的工况条件。可以通过测量槽钢截面的宽高比和装配距离，根据步骤三得出的钻塔各阶模态频率与槽钢截面宽高比和装配距离的函数关系式，可以计算出此钻塔的各阶模态频率，根据计算出的各阶模态频率，调整钻机的工作参数，使得激振频率远离钻塔的各阶模态频率，避免施工过程中产生共振，从而使槽钢结构桅杆式钻塔得到优化的工况条件。本发明的槽钢结构桅杆式钻塔的动态特性分析方法适用于给出工况条件要求设计最优化的桅杆式钻塔及对钻塔的设备选型，或根据现有的桅杆式钻塔的结构尺寸分析该设备适配的工况条件。当前第1页1 2 3