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井下防喷器实验台瞬态动力冲击仿真研究

文档作者：徐涛1，刘清友2 文档来源： 1．西南石油大学机电工程学院 2．西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验		点击数：	更新时间： 2021年08月13日
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第32卷第08期计算机仿真2015年08月
文章编号：1006—9348(2015)08—0260—05
井下防喷器实验台瞬态动力冲击仿真研究
徐涛1，刘清友2
(1．西南石油大学机电工程学院四川成都610500；
2．西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都610500)
摘要：新型井下防喷器在室内试验过程中会产生瞬态跃变力，会对配套的实验台形成较大瞬态动力冲击，使实验台的整体受
力情况在极短时间内发生剧烈变化，对实验过程的安全性造成隐患。提出结合瞬态动力学理论和有限元仿真软件，在瞬态
冲击时间历程载荷步范围内，对实验台所承受的动力冲击进行解算，得到实验台在整个冲击历程中的应力分布规律和选定
节点的运动变化规律，仿真结果发现：实验台主框架最大应力值出现在三角筋板与立柱连接处，实验台预定节点加速度变化
趋势满足载荷加载趋势，冲击载荷作用于顶梁下表面且瞬间冲击的能量在向顶梁上表面传递过程中有所削弱，并在相应室
内试验中对该结果进行验证，为实验台的设计优化和试验过程的安全性提供参考。
关键词：瞬态；动力冲击；井下防喷器；实验台；仿真
中图分类号：THl33 文献标识码：B
Analysis of Flow Field Simulation
of Marine Drilling Single Riser System
XU Ta01，LIU Qing—you2
(1．School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；
2．School of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan
610500，China)
ABSTRACT：Downhole BOP produces transition force which forms a large transient dynamic impact for the experi—
mental table during the indoor test，this impact makes the whole force of experimental table change dramatically in a
very short time．and causes a hidden trouble to the safety of the experimental process．Combining the theory of transient
dynamics and finite element simulation software，we solved the dynamic impact of experimental table in the
process of the transient impact time load step，obtained the stress distribution of experimental table，and changed rule
of the selected node movement component in the whole impact process．The simulation results show that the maximum
stress appears in the joint of triangle stiffened plate and column of the experimental table main frame，the acceleration
trend of the experimental table predetermined node meets the load loading trend，the impact load loading at the soffit
of tlle top beam and instant impact energy is weakened to upper surface of the top beam during the transfer．and cornpletes
the laboratory tests to verify the corresponding results，which provides a reference for the optimization design
and security of test procedures such this experiment table．
KEYWORDS：Transient；Dynamic impact；Downhole BOP；Experimental table；Emulation
1 引言
井下防喷器是井下防喷系统的核心装置之一，其不仅作
为钻柱的组成部分来悬挂下部钻具和传递钻井扭矩，还能向
基金项目：国家科技重大专项(项目编号：201IZX05050)
收稿日期：2015—03—18修回13期：2015一04-02
．---——260----——
地面控制中心及时反馈在井下所处的工作状态信息。井下
防喷器中的推块碟簧机构受外载荷会产生瞬态跃变力，该力
能对钻柱悬重产生改变，地面钻井控制中心利用捕捉到的钻
柱悬重变化规律信息来对井下防喷器的工作状态以及所处
井下环境进行实时监控。
利用瞬态动力学相关理论，已能对诸如探月器冲击着
陆⋯、架桥机主梁结构瞬态振动心1和汽车驱动桥桥壳危险点
万方数据
查找【31等问题分析计算。
为在室内试验阶段对新设计的井下防喷器工作性能进
行验证，设计制造了与此相配套的井下防喷器实验台，如图1
所示。为保证实验台在受到工具所产生的瞬态跃变冲击力
作用时的结构强度和安全性满足要求，使用有限元仿真和瞬
态动力学的相关理论对这一试验过程进行分析研究，为该类
实验台达到试验设计设计要求和试验过程的安全性提供
依据。
图1 实验台整体三维结构图
2瞬态动力冲击过程建模
根据井下防喷器自身尺寸、室内实验功能要求和实验台
安装地点限制等因素，设计制造出井下防喷器实验台，实验
台主要承载井下防喷器封隔过程中瞬态冲击的部件为使用
工字钢制造的实验台主框架，受力分析如图2所示。
瞬态动力分析使用结构质量分布的离散和一致时间度
量来对结构瞬态过程的加速度和速度进行描述，并可对该过
程中的任意时间载荷历程响应进行计算。对于受瞬态冲击
的实验台载荷响应求解采用Newmark时间完全积分法H“]，
该方法采用完整系统矩阵计算结构模型，对受载情况下的瞬
态响应分析功能最为强大。
对于井下防喷器实验台这一线弹性结构的结构动力学
方程为：
M五+Bu+F。。=F(t) (1)
上式中：
膨一质量矩阵；
B一阻尼矩阵；
越一节点加速度向量；
五一节点速度向量；
巳一结构内力向量；
F(t)一施加载荷量。
图2 实验台主框架受力分析图
对式(1)进行时间微分运算，可得：
M?i+疏+Ku=F(t) (2)
上式中K为刚度矩阵，假定方程在有限时间段血内有效，式
(2)可转化为：
MAu+BAit+KAu=aF(t) (3)
采用Newmark法进行迭代计算得到：
M／／叫尝圳n垒学=筹¨丢叭等△u
(4)
将结构动力学方程式(1)进行线性化处理，可得：
M／／+B五+KM—Ku4+，：=F(t) (5)
采用Newmark法可得到递推关系为：
一型A△t2u△+萼u+△石Ⅱ△+ⅡKA+ⅡⅡ
=F(t)一Rjlf扩+(岩+曰)扩+M扩(6)
依据Newmark时间步进法对实验台在受冲击载荷作用
时的节点速度和加速度进行求解：
u。+l=u‘+(At)五i+(0．5一卢)(At)2五i+卢(At)2五i+l
(7)
五f+l=五f+[(1一y)At]五f+(yAt)五f+l (8)
式(7)和式(8)中，参数y和卢定义了时间载荷步内加速度
的变化。
预先设定实验台选定节点的初始位移量H。和初始速度
量五。，利用式(7)和(8)对方程(1)进行初始计算，获得节点
初始加速度值／／o：
¨止等垫(9) uo 2————石——一Ly J
再设置瞬态冲击的时间载荷步为血，为使该算法获得稳
定求解⋯，At需要满足的关系为孚≤上-兰一，可得到1n酉,／2√1—23
—261—
万方数据
中间刚度矢量值七和系数A和弘的值：
“n舻+志肘(10)
A_分+静(11)
弘-△t(荔一)趴扣(12)
依据选定节点的初始计算结果，对每一个时间步i中的速度
增量A反和加速度增量△五。进行计算：
△t=△‘+A五；+／x五。(13)
△u。：TA Fi
(14)
“i 2盖血；一弘“t(-一茜)玩(15)
峨=忐她一志诤南玩(·6)
依次类推，可得到节点在下一时间步i+1内的位移量M。、
速度量喀+，和加速度量远+．：
uf+l=uf+Au‘ (17)
也+。=也+A也(18)
五Ⅲ=远+A远(19)
由式(6)可得到实验室在受时间历程载荷冲击过程中的
应力随载荷步的变化，再由式(17)一式(19)可获得选定节
点在瞬态冲击过程中的运动参量变化规律。
3实验台瞬态动力冲击仿真过程
依据模拟井下防喷器封隔过程的需要，在室内试验过程
中，对实验台主框架底座约束条件设置为全约束，由实验台
的加载器提供使井下防喷器推块碟簧机构动作的初始载荷，
同时井下防喷器在工作过程中会到实验台产生冲击载荷。
使用ANSYS有限元仿真软件进行瞬态分析过程中旧‘10|，时
间载荷步△t为0．001S，时间载荷子步为0．0001S，时间历程
冲击载荷F(t)采用Ramped斜坡形式，分五个阶段步对实验
台架主框架顶梁进行加载，时间载荷步结束时间为0．005s，
图3为时间载荷步加载图。
图3时间载荷步加载图
4仿真结果分析
瞬态动力冲击仿真分析求解完成后，得到五个时间载荷
步中实验台的应力分布情况，如图4所示，仿真计算结果如
表1所示。该实验台由普通热轧工字钢(Q235)加工制造而
成，材料的屈服极限值为235MPa。实验台主框架在整个时
间历程载荷作用过程中，实验台的最大应力出现在主框架三
角筋板与立柱的连接处，该处成为整个实验台在瞬态冲击实
验过程中的危险点，最大应力值为79．2MPa，小于材料的屈
服极限值，满足安全使用的要求。
口一。口钿
匝Ⅲ
图4实验台主框架应力分布图
表1 瞬态动力学分析计算结果
选取位于实验台主框架顶梁下表面的A节点(如图5所
示)，使用时间历程变量工具得到该节点在x轴向、Y轴向及
z轴向三方向上的速度分量曲线(VX一5、VY一6、VZ一7)和
加速度分量曲线(AX一2、AY一3、AZ一4)(如图6所示)。Y
轴向的速度变化先增加，后达到一定数值后保持稳定，加速
度变化先增加到一个峰值后逐渐减小到趋于平缓；X轴向和
z轴向上速度变化趋于平缓，增量极小；加速度变化在x轴
向近乎趋近于0，在z轴向的加速度先为负后趋近于0，且在
两轴向上的变化趋势都很小。
再选取位于实验台主框架顶梁上表面的B节点(如图5
所示)，节点在x轴向、Y轴向及z轴向三方向上的速度分量
曲线(VX—ll、VY一12、VZ一13)和加速度分量曲线(AX一
8、AY一9、AZ一10)(如图7所示)，与选取的A节点相比较，
万方数据
州』014
速度o∞
图5节点位置分布图
图6 A节点三轴向速度及加速度分置图
B节点速度变化趋势近似一致，且位于顶梁下表面的A节点
的速度变化最大值与最小值均大于B节点；B节点在z轴向
的速度值为正值，位于Y轴向的速度趋势曲线之上并大于A
节点的值。B节点Y轴向的加速度变化趋势与A节点一致，
x轴向的加速度数值趋近于0，z轴向的加速度为正值。
呻St铂0 18
Ⅵ一：二O 1●
0 12
VⅢ0 I
速度o∞
图7 B节点三轴向速度及加速度分量图
依据分析结果，所取实验台上的预定节点加速度变化趋
势满足载荷加载趋势，即受载Y方向上的第一个时间载荷步
完成后加速度达到最大值，而与载荷方向垂直的x轴向和z
轴向上的加速度变化趋势极小。
载荷作用于顶梁下表面且瞬间冲击的能量在传递过程
中有所削弱，导致位于下表面的节点加速度和速度变化幅度
大于位于上表面的节点。所取节点的速度变化趋势与加速
度变化趋势满足运动学关系，在受载的Y轴向上速度变化最
后趋于平稳，加载由瞬态逐渐向稳定方向过渡，实验台的受
载变化情况也趋向平稳受力，瞬态冲击作用逐渐结束。
5室内试验
在仿真分析的基础上，对井下防喷器及实验台的部件进
行加工制造，并开展相关室内试验，如图8所示，采用三轴加
速度传感器测定实验台在受瞬态冲击过程中的加速度变化，
并安装在实验台顶梁下表面，测定时间区间与仿真模拟过程
的时间历程相一致，测试结果如图9所示。
图8井下防喷器室内试验
8070 j，、二篇篡+{ ‘ 。-
+测点垌加j噩崖
∞∞||』J I-． 。 测点z向加速度
。-
纠20 ＼ { 、
1。0 o{冀l彗一袋篓嚣—嚣嚣饕二n=}宝、"搴聿#橐《#$e一吣疆～t《it=一
试验结果表明：实验台能承受井下防喷器在胶筒压缩坐
封过程中的瞬态冲击，结构满足设计要求，测点加速度变化
趋势与仿真计算结果符合较好，能较好的保证室内试验的安
·--——263．-———
∞∞加∞∞蚰∞ 一2温
∞∞伯∞∞帕∞∞加0
m
翼一：蛾
万方数据
全进行。
6结论
1)实验台主框架在受瞬态冲击载荷作用时，最大应力
值出现在三角筋板与立柱连接处，形成较危险的区域。
2)实验台的预定节点加速度变化趋势满足载荷加载趋
势，冲击载荷作用于顶梁下表面且瞬间冲击的能量在向顶梁
上表面传递过程中有所削弱，所取节点的速度变化趋势与加
速度变化趋势满足运动学关系。
3)使用有限元仿真软件得到瞬态冲击结果，并通过现
场试验验证实验台能经受井下防喷器试验过程产生的瞬时
冲击力，结构强度满足设计要求。
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(上接第238页)
较之前的压人式通风除尘效果更好，大大提高了采矿效率。
可安装抽出式除尘器设备以加快爆破烟尘的排出。
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[作者简介]
徐涛(1989一)，男(汉族)，四川省阆中市人，硕
士研究生。主要研究领域为海洋石油装备设计与仿
真研究。
刘清友(1966～)，男(汉族)，重庆市开县人，教授，
博士生导师，教育部长江学者，中国计算机用户协
会仿真应用分会理事。主要研究领域为油气装备设计与仿真研究及
相关工作。
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and Underground Space Technology，2014，44：241—254．
[作者简介]
胡承欢(1989一)，男(汉族)，湖南郴州人，硕士研
究生，主要研究领域为矿山通风除尘，除尘器设备
研制及计算机仿真。
夏毅敏(1967一)，男(汉族)，江西永新人，教授，博
士生导师，主要研究领域为流体传动与控制技术、
掘进设备设计与研究。
卜英勇(1944一)，男(汉族)，安徽芜湖人，教授，博士生导师，主要
研究领域为矿山通风除尘设备的研制，设备管理，除尘脱硫设备的
研制。
谢信(1990一)，男(汉族)，湖南永州人，硕士研究生，主要研究除
尘设备设计及计算机仿真。

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