钻机井架结构优化设计过程中的动力学重分析方法

In process of exploration of solid minerals, oil and gas, the drilling system plays an important role in safe operation. The drilling derrick is one of the important parts of drilling system. It is installed on the rig substructure, which carries full weight of the stand pipe. The static analysis and the dynamic characteristics of the derrick structure are particularly important. However, in the process of the structural design and optimizing, for the maximization and complication of the derrick structure, most of the computational time spends on the evaluation of the dynamic characteristics of the modified derrick structure by the finite element method. The dynamic reanalysis methods are intended to efficiently evaluate the structural responses for various changes in design without solving the full set of modified analysis equations. The solution procedures usually use the response of the initial structure. For a variety of modified cases, the program adopts reanalysis method to deal with evaluation of dynamic for the derrick structure during the process of the structural design and optimizing, and designs an efficient and accurate algorithm.

在固体矿产钻探和石油、天然气等钻井过程中，钻机系统对于钻井过程的安全运行有着十分重要的作用。其中，钻井井架是钻机系统的重要组成部分之一，它安装于钻机底座之上，承载钻井作业时管柱的全部重量，同时还受到外部工作环境影响，因此对于井架结构的静力学分析以及动力学的特性显得尤为重要。然而，伴随井架结构的大型化复杂化，在结构优化设计的过程中，绝大部分时间消耗在反复使用有限元方法对新产生的结构进行动力学评估上。动力学重分析方法的目的是利用结构修改前初始分析获得的结构响应等信息，设计高效算法来求解修改后结构的响应参数，使得计算成本显著降低，进而加速优化设计的效率。针对各种不同的模型修改情况，本课题拟采取重分析技术处理井架结构在优化设计过程中的动力学问题，设计出高效率、高精度的重分析算法，编写出相应的程序模块，最终完成一套适用于钻机井架结构的高效设计优化计算程序。

在固体矿产钻探和石油、天然气等钻井过程中，钻机系统对于钻井过程的安全运行有着十分重要的作用。其中，钻井井架是钻机系统的重要组成部分之一，它安装于钻机底座之上，承载钻井作业时管柱的全部重量，同时还受到外部工作环境影响，因此对于井架结构的静力学分析以及动力学的特性显得尤为重要。然而，伴随井架结构的大型化复杂化，在结构优化设计的过程中，绝大部分时间消耗在反复使用有限元方法对新产生的结构进行动力学评估上。动力学重分析方法的目的是利用结构修改前初始分析获得的结构响应等信息，设计高效算法来求解修改后结构的响应参数，使得计算成本显著降低，进而加速优化设计的效率。.本研究报告主要内容可分为如下三个方面：.1..针对井架结构相对于初始结构增加一些杆件单元的情况，提出了一种基于带移轴的块组合逼近方法的快速重分析方法，进而提高了井架结构动力学问题的求解效率。.2..在井架结构动力响应的优化过程中，针对以最小谐响应为优化目标的问题，利用带移轴的块组合逼近方法提高井架结构的整体优化效率。.3..在井架结构动力学的优化过程中，针对以最小化基频为优化目标的问题，利用带移轴的块组合逼近方法提高井架结构的整体优化效率。