全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析
程载斌;姜伟;蒋世全;李迅科;何保生;任革学;王宁羽
【摘要】基于绝对节点坐标法建立全井钻柱系统的多体动力学模型,研究系统的耦合振动现象;将大长细比柔性钻柱离散为绝对节点坐标梁单元,讨论梁单元格式,并研究井口、钻头处边界及钻柱与井壁的接触/摩擦模型,给出包含绝对节点坐标梁单元的钻柱系统运动方程;采用向后差分法求解微分代数方程组,开发多体动力学求解器
及相应的前、后处理器.通过直井、定向井算例分析了全井钻柱系统的轴向、扭转、横向耦合振动特性,结果表明本文提出的力学建模和数值分析方法可实时捕捉到钻
柱系统的耦合振动现象,能够在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用.
【期刊名称】《中国海上油气》
【年(卷),期】2014(026)004
【总页数】6页(P71-76)
【关键词】全井钻柱系统;耦合振动;多体动力学模型;绝对节点坐标法;向后差分法【作者】程载斌;姜伟;蒋世全;李迅科;何保生;任革学;王宁羽
【作者单位】中海油研究总院;中海石油(中国)有限公司工程技术部;中海油研究总院;中海油研究总院;中海油研究总院;清华大学航天航空学院;清华大学航天航空学院【正文语种】中文
石油钻井中钻柱系统的剧烈振动严重影响钻井的效率和安全。为了深入理解钻柱系统的复杂振动状态,以便更好地控制其对钻井的不利影响,国内外学者进行了广泛的
研究,包括现场测试[1-2]、全尺寸[3-4]/模型[5]试验和数值模拟方法,如有限元法
[6-9]、集中质量法[10-12]、弹性线法[13]及转子动力学模型分析[14]。这些研究
表明:钻柱系统呈现出复杂的耦合振动现象,包括轴向振动(钻压波动、跳钻)、扭转
振动(黏滑振动)和横向振动(涡动运动),其诱因包括钻柱-井壁和钻头-岩石的非线性
接触/摩擦以及不平衡质量、初始曲率、屈曲变形和其他线性或非线性扰动。
数值模型中,由于忽略了一些引起振动的物理因素,难以准确地表征实际的振动现象。有限元方法物理概念清晰,实用性强,但增量方法导致其求解速度慢。同时,有限转角假设使其无法准确地描述大长细比柔性钻柱在狭长井眼内的复杂变形和运动,同样
限制了该方法的应用。本文提出了一种基于绝对节点坐标法的全井钻柱系统耦合振动分析的多体动力学模型。算例分析表明,该模型可实时捕捉到钻柱系统的耦合振
动现象,可在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用。
全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型(图1)的建立,包括钻柱系统建模、钻柱与井壁的接触/摩擦描述以及井口和钻头处的边界条件。大长细比柔性钻柱离散为绝对
节点坐标梁单元,钻头和稳定器离散为刚体,钻井液的影响包含在附加质量系数、系
统阻尼和钻柱与井壁的摩擦系数表征中。整体系统力学模型如图1所示。
1.1 绝对节点坐标梁单元
绝对节点坐标法直接采用定义在全局坐标系下的空间坐标及其梯度作为广义坐标,
克服了传统柔性体描述方法(如浮动标架法、共旋坐标法、相对节点位移法及大转
动向量法)由于固连在柔性体上的局部参考坐标系而导致运动方程高度非线性[15]
的缺点。同时,采用严格的微分几何方法描述柔性体的弯曲率和扭曲率,在处理大位移、大转动和大变形问题时具有速度和精度上的优势。
本文所述绝对节点坐标梁单元基于文献[16]和文献[17],遵循Euler-Bernoulli梁假设。
1.1.1单元广义坐标与插值函数
如图2所示,梁单元初始构型为直线,长度为L,其变形后的刚性截面可由轴线的全局
坐标位置r和物质坐标系[t,m,n]描述。
矢量t为轴线切线方向,矢量m,n为截面惯性主轴方向。[t,m,n]可通过全局坐标位置对梁轴线上物质坐标l的导数r′和绕体轴1旋转的欧拉角θ1描述。则变形后,局部坐标系为[0,y,z]的梁截面上任意物质点P的位置(距i节点距离为l)可以表示为梁单元的广义坐标为
式(2)中:下标i、j表示梁单元两端节点,上标T表示矩阵转置。该梁单元每个节点只有7自由度,相比文献[15]中提出的梁单元每个节点有12自由度,大大节省了计算量。
单元内任意点P的位置可通过对广义坐标q进行插值直接给出
式(3)中:s为变形后梁轴线坐标;单元位置、位置导数的形函数NH(s)(H=1,2,3,4)为Hermite插值函数,而Euler角的形函数NE(s)(E=5,6)为线性插值函数。
1.1.2单元动能与弹性能描述
梁单元动能为
式(4)中:ρ为材料密度,kg/m3;A为截面积,m2。单元质量矩阵Me的表达式为
单元的质量矩阵Me与时间无关,可对多体系统非线性方程的稀疏矩阵结构进行优化。
由单元内一点的位置,可以定义该点的非线性格林应变张量E为
式(7)中:I为单位应变向量。定义梁轴线上工程正应变
简化工程正应变和工程剪应变可得
式(9)、(10)中:ε为x轴方向的工程正应变,无量纲;γxy和γxz分别为xy和xz平面内的工程剪应变,无量纲。
本构关系定义在工程正应变和工程剪应变基础上,考虑梁单元轴向、弯曲和扭转变形的弹性能Ue为
式(11)、(12)中:E为杨氏模量,Pa;G为剪切模量, Pa;κ1、κ2和κ3分别表示扭曲曲
率和2个方向的弯曲曲率。
绝对节点坐标法直接利用格林应变推导单元应变能,无小变形假设,可以准确地描述大变形柔性体。同时,单元弹性能推导过程中保留了格林应变的非线性项,可以通过格林应变直接描述单元的大变形和大转动,无需引入浮动坐标系。
1.2 边界条件
井口横向边界条件采用刚度较大的弹簧约束。
井口纵向边界条件分为2种:①纵向等效弹簧约束,用于动力学问题研究。顶驱简化为集中质量块,静平衡构型计算后通过控制顶驱下放速度控制钻压和机械钻速;②纵向速度约束,用于下入、钻进过程中的运动学与动力学问题研究。
井口扭转边界条件采用电机驱动模型[18],比恒定转速、恒定功率模型[9,19]更符合钻井工程实际。
钻柱与井壁的接触模型采用连续接触力方法[6]描述,钻柱与井壁的接触采用“点-圆柱面”检测方法,通过计算检测钻柱梁单元轴线上的点到井壁的距离来判断该检测点是否侵入井壁(图3)。
当钻柱轴线上的检测点P与井眼轴线PiPi+1的距离大于井眼半径R与钻柱半径r 之差时,发生接触。在钻柱梁单元轴线上布置若干个检测点,这些检测点可以均匀分布在单元内,也可以是单元内的高斯积分点。钻杆接头处通过改变接触检测点与井壁的检测距离模拟。
作用在接触点上的碰撞摩擦力f由赫兹接触模型计算得到
式(13)中:n为碰撞法向单位矢量;fn为法向碰撞力,ft为切向库伦摩擦力,其摩擦系数是切向相对速度的非线性函数。
钻头与岩石的相互作用模型构成下端边界条件,准确地描述该边界条件较为困难。本文采用随机接触边界,轴向波动和扭矩采用文献[7]的模型。
钻进分析时,可采用井眼轨迹预测的三维钻速方程等模型。
1.3 系统动力学方程
全井钻柱系统动力学方程可由第一类拉格朗日方程导出
其中
式(14)中:M为系统整体广义质量阵;D为柔性体系统弹性阻尼矩阵;Q为系统所受广义力向量;C为系统整体约束方程;λ表示对应的拉格朗日乘子向量。
采用变步长、变阶的向后差分隐式积分算法[20-21]求解全井钻柱系统动力学方程
式(14),将其时间积分离散为非线性方程组,再用牛顿迭代法求解非线性方程组,为隐式积分算法,其初始静平衡构型采用动力松弛法求解,阻尼系数η=0.01。求解器采
用稀疏矩阵结构优化及并行计算技术提高计算效率。
考虑2000m深的直井和1000m测深的定向井,研究全井钻柱系统的耦合振动特性。定向井最大井斜角60°,造斜段井眼曲率6°/30 m。
求解器计算流程框图如图4所示,其中记号y= (qT,λT)T,B为雅可比矩阵,b为残差
向量。
2.1 轴向振动
钻柱轴向振动的诱因一般由钻头破碎岩石、地层岩性各向异性、井底不平引起,表
现为钻压波动,甚至跳钻。计算结果如图5所示,可以看出直井中钻压波动表现为较为规律的周期性振动,而定向井中表现为无规律的复杂振动。
2.2 扭转振动
黏滑振动的诱因为钻柱系统与井壁的摩擦作用使得顶驱以常数转速旋转,而钻头处
的转速范围为0～4倍的地面测量转速。计算结果如图6所示,可以看出本文所建力学模型可以捕捉到直井和定向井中的典型黏滑振动现象。当钻柱低速旋转时,黏滑
扭转振动是最为有害的振动模式,巨大的扭矩波动一旦失控,将不可避免地造成钻柱
和钻头受损或失效。
2.3 横向振动
钻柱系统横向振动的典型表现为涡动运动。涡动运动的诱因为不平衡质量或其他干扰力(如井壁摩擦力、屈曲钻柱旋转离心力等)使钻柱在自转的同时绕井眼轴线公转。计算结果如图7所示。
从图7可以看出:直井工况中测深600、1200、1600m处钻柱轴心绕井眼中心的
无规则运动为弯曲、扭转振动所致;测深1900m处钻柱轴心未与井壁接触而作反
向涡动。定向井工况中测深700 m处钻柱轴心绕井眼低边附近作无规则运动;测深900 m处钻柱轴心的运动较为复杂,先是在井眼低边附近的正向涡动,半个圆弧后突然跳到井眼高边附近,转换为反向涡动,如此循环;测深919 m和930 m处钻柱轴心未与井壁接触,在井眼低边附近作往复运动,也可视为正、反向涡动的相互转换。
综合上述分析可以看出,全井钻柱系统在狭长井眼的运动非常复杂,其无规则运动和
涡动将严重影响钻柱的强度,与井壁的接触摩擦使其磨损,而涡动易使钻柱疲劳破坏。
1)采用绝对节点坐标法建立了全井钻柱系统耦合振动的多体动力学模型,将大长细
比柔性钻柱离散为绝对节点坐标梁单元,采用更符合工程实际的边界条件,可以全面、准确地描述钻柱在狭长井眼内的运动与变形特性。
2)基于力学模型的精确描述、稀疏矩阵结构优化及并行计算技术的采用,所开发的
求解器在处理全井钻柱系统力学建模及数值计算时具有精度和速度上的明显优势。
3)数值算例分析表明:本文提出的力学分析方法能实时捕捉到系统的钻压波动、黏
滑振动和涡动等钻柱耦合振动现象,可在井底钻具组合动力学优化设计、钻井工程
参数优选、钻柱失效预测与剩余寿命评价、井下复杂工况诊断等工程应用中发挥作用,为提高钻井效率、保障钻井安全提供指导。
【相关文献】
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Calculation of friction coefficient and downhole weight on bit with finite element analysis of drillstring 摩擦系数和井底钻压的有限元分析 摘要：通过实时计算钻柱与井壁之间的摩擦系数，可用于识别可能发生的井眼清洗问题，卡管，压差卡钻，地层变化和泥浆润滑等问题。正确的计算和分析井底钻压(DWOB)对钻井作业和优化非常重要。本文介绍了一种实用的有限元分析（FEA）模型和程序，在钻井作业期间，可以模拟钻柱的工作行为。鉴于大钩载荷，井眼几何形状和其他一些钻井参数，有限元分析程序可以在后台自动计算钻柱和套管或地层之间的摩擦因子或系数。本文开发的程序也可以被用来计算在不同的钻探工作模式如直井，定向井，水平井和任何复杂井眼轨迹中的实际井底钻压（DWOB）。基于摩擦系数，使用有限元分析程序来获得实际井底钻压（DWOB） 1 介绍 扭矩和磨阻作为辅助钻井实时分析的一个重要的参数。为了计算扭矩和摩阻，摩擦系数必须已知。实时计算摩擦系数是用来确定可能发生的井眼清洗问题，卡管，压差卡钻，地层变化和泥浆润滑等问题。下套管或裸眼井的摩擦系数通常是通过实际数据计算。1983，Johancsik研制的一种定向井钻柱扭矩和磨阻模型。该模型假定滑动摩擦力由井眼与钻柱接触引起的。钻柱与井壁的接触力由钻柱的自重和张力决定。摩擦系数的测定是该模型的基础。现场数据进行重新计算滑动摩擦系数。摩擦系数是扭矩和阻力模型的一个重要参数，因为它是表面相互作用模型的核心。适用于任何情况下的摩擦系数是一个多因素的函数，包括流体类型，组成和润滑性，形成型，套管和钻杆接头材料和表面粗糙度。当重要的部分，可能需要使用两个或两个以上的摩擦因素，一种用于套管钻柱和一个用于地层中钻柱。一种新型的三维井筒摩阻扭矩模型在钻水平井和大位移井被提出。 钻头的性能直接影响到整个钻井性能。当给定一组操作参数时钻头的性能往往是由钻进速率（ROP）来评估。只有当ROP是参照真实的（WOB）才是有效的。因此，获得实际井下钻压是实现钻头性能好的关键。DWOB第一次计算尝试使用分析的扭矩和阻力模型。 杨提出了一个三维有限差分法对底部钻具组合（BHA）静荷载作用下的分析。在本文中，作者研究了钻柱与井壁采用有限元分析，建立了相应程序之间的相互作用。本文还利用有限元模型和程序自动重新计算摩擦，也可在钻井作业计算实际DWOB。 有限元程序在一个新的自动送钻系统将用于实时优化钻井和岩石强度预测中起着重要的作用。本文讨论的不是有限元模型或程序，而是有限元分析程序的应用，包括摩擦系数的计算和井底钻压的估计，和一些结果提出。 2 钻柱的有限元建模 2.1 井眼几何形状 摩阻扭矩的计算与井眼几何形状和井内钻柱有关。，钻大位移井（ER）时钻柱是一个复杂的状态。图1显示了一个世界上最复杂的大位移井。
深井钻柱粘滑振动特性分析 贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖 【摘要】粘滑振动严重影响钻柱系统的机械钻速,进而增加钻井成本,影响完井周期.为研究深井钻柱系统的粘滑振动特性,采用集中参数模型,通过钻头与岩石相互作用原则,既考虑钻头的摩擦作用,又考虑钻头的切削作用,建立钻柱系统轴向和扭转的耦合振动无量纲控制方程.基于MATLAB/Simulink软件对钻柱系统振动响应进行数值求解,分析了无量纲化控制参数,即转盘角速度、钻压以及粘性阻尼比、刀翼数对钻柱粘滑振动特性的影响.结果表明,确定的钻柱结构和系统参数存在发生粘滑振动的临界值,增大转盘转速、减小钻压、增大阻尼比到临界值时,钻头粘滑振动消失,同时增加刀翼数也会使粘滑振动得到抑制. 【期刊名称】《石油矿场机械》 【年(卷),期】2018(047)006 【总页数】7页(P1-7) 【关键词】钻柱系统;切削作用;耦合振动;粘滑振动 【作者】贾晓丽;钟晓玲;刘书海;计朝晖 【作者单位】中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249 【正文语种】中文 【中图分类】TE921.2
钻具在切割岩层时受到摩擦、压强、岩石质地等因素影响，经常会出现钻柱振动现象，造成严重的钻井问题，例如脱扣、跳钻、钻头的提前失效、较低的机械钻速以及BHA的失效等[1]。通常，钻柱振动被分为纵向、横向及扭转振动3种形式。本文研究的钻柱系统为旋转钻井系统，其广泛用于深层油气资源的勘探开发。在深井的钻井过程中，随着井深的增加，岩石硬度增加，塑性增加，地质条件更加错综复杂，并且随着钻柱长度的增加，钻柱的等效转矩刚度降低，传递转矩不足，在钻柱、钻头与井壁、井底的摩擦作用下，钻柱系统极易产生粘滑振动。钻柱粘滑振动被视为一种破坏性极大的扭转振动，将导致钻头及井下钻具的加速失效，严重影响钻井效率和钻井成本[2]。 1980年代，大位移钻井过程中出现的“粘滑”现象引起了钻井研究人员的注意，认为粘滑振动为扭转振动的一种特殊情况。1987年，Dawson等[3]从理论和试验研究了钻柱的“粘滑”现象，并与现场数据进行了对照，指出粘滑振动的滑脱状态是在钻头克服静摩擦阻力后出现的，其最大的转速可达常规转速的数倍；Kyllingstad和Halsey[4]通过建立简单的扭摆模型用以研究钻柱的粘滑振动，指 出当钻柱发生粘滑振动时，钻柱的振动频率会低于扭摆的固有频率，同时转盘转速下降，当钻柱处于滑脱阶段时，钻柱底部最大转速至少是转盘转速的两倍以上，并提出通过减小钻压或降低转速可以有效抑制钻柱的粘滑振动； Challamel等[5]基 于岩石破碎机理解释粘滑振动的基本原理，研究了钻头与岩石的相互作用对钻头的粘滑振动的影响；Richard等[6-7]通过钻头-岩石界面法则从钻头与岩石之间的摩擦接触和切削过程两部分对两种振动模式进行耦合，指出轴向和扭转振动的耦合是造成粘滑振动的根本原因，并对粘滑振动进行线性稳态分析及极限环分析。国内对于钻柱粘滑振动的研究起步较晚，研究成果也较少。黄根炉和韩志勇[8]将钻柱系 统等效成集中质量摆，分析钻柱系统在钻头转矩以及钻柱与井壁的摩擦转矩作用下
水平井钻柱摩阻、摩扭分析 张宗仁 一、文献调研与综述 在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。对管柱的的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。 1．1约翰西克柔杆模型： 约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触: (3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在: (5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。 在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式: 12 22 cos [(sin )(sin )]t T W N M Nr N T T W αμμθααα?=±?==?+?+ 式中： T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ； N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径； a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。 1．2二维模型: Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。他建立的二维模型和三维模型如下: 111211111 **[(1)(sin sin )2(cos cos )] 1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i B B i i B i i i i i qR F A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R= 式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符
全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析 程载斌;姜伟;蒋世全;李迅科;何保生;任革学;王宁羽 【摘要】基于绝对节点坐标法建立全井钻柱系统的多体动力学模型,研究系统的耦合振动现象;将大长细比柔性钻柱离散为绝对节点坐标梁单元,讨论梁单元格式,并研究井口、钻头处边界及钻柱与井壁的接触/摩擦模型,给出包含绝对节点坐标梁单元的钻柱系统运动方程;采用向后差分法求解微分代数方程组,开发多体动力学求解器 及相应的前、后处理器.通过直井、定向井算例分析了全井钻柱系统的轴向、扭转、横向耦合振动特性,结果表明本文提出的力学建模和数值分析方法可实时捕捉到钻 柱系统的耦合振动现象,能够在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用. 【期刊名称】《中国海上油气》 【年(卷),期】2014(026)004 【总页数】6页(P71-76) 【关键词】全井钻柱系统;耦合振动;多体动力学模型;绝对节点坐标法;向后差分法【作者】程载斌;姜伟;蒋世全;李迅科;何保生;任革学;王宁羽 【作者单位】中海油研究总院;中海石油(中国)有限公司工程技术部;中海油研究总院;中海油研究总院;中海油研究总院;清华大学航天航空学院;清华大学航天航空学院【正文语种】中文 石油钻井中钻柱系统的剧烈振动严重影响钻井的效率和安全。为了深入理解钻柱系统的复杂振动状态,以便更好地控制其对钻井的不利影响,国内外学者进行了广泛的 研究,包括现场测试[1-2]、全尺寸[3-4]/模型[5]试验和数值模拟方法,如有限元法
[6-9]、集中质量法[10-12]、弹性线法[13]及转子动力学模型分析[14]。这些研究 表明:钻柱系统呈现出复杂的耦合振动现象,包括轴向振动(钻压波动、跳钻)、扭转 振动(黏滑振动)和横向振动(涡动运动),其诱因包括钻柱-井壁和钻头-岩石的非线性 接触/摩擦以及不平衡质量、初始曲率、屈曲变形和其他线性或非线性扰动。 数值模型中,由于忽略了一些引起振动的物理因素,难以准确地表征实际的振动现象。有限元方法物理概念清晰,实用性强,但增量方法导致其求解速度慢。同时,有限转角假设使其无法准确地描述大长细比柔性钻柱在狭长井眼内的复杂变形和运动,同样 限制了该方法的应用。本文提出了一种基于绝对节点坐标法的全井钻柱系统耦合振动分析的多体动力学模型。算例分析表明,该模型可实时捕捉到钻柱系统的耦合振 动现象,可在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用。 全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型(图1)的建立,包括钻柱系统建模、钻柱与井壁的接触/摩擦描述以及井口和钻头处的边界条件。大长细比柔性钻柱离散为绝对 节点坐标梁单元,钻头和稳定器离散为刚体,钻井液的影响包含在附加质量系数、系 统阻尼和钻柱与井壁的摩擦系数表征中。整体系统力学模型如图1所示。 1.1 绝对节点坐标梁单元 绝对节点坐标法直接采用定义在全局坐标系下的空间坐标及其梯度作为广义坐标, 克服了传统柔性体描述方法(如浮动标架法、共旋坐标法、相对节点位移法及大转 动向量法)由于固连在柔性体上的局部参考坐标系而导致运动方程高度非线性[15] 的缺点。同时,采用严格的微分几何方法描述柔性体的弯曲率和扭曲率,在处理大位移、大转动和大变形问题时具有速度和精度上的优势。 本文所述绝对节点坐标梁单元基于文献[16]和文献[17],遵循Euler-Bernoulli梁假设。 1.1.1单元广义坐标与插值函数 如图2所示,梁单元初始构型为直线,长度为L,其变形后的刚性截面可由轴线的全局
海上平台钻井钻柱耦合振动规律分析 摘要：目前定向井、水平井、大位移井等复杂结构井在油田广泛应用。井型不断增加,井下 和井上环境变化多端,对钻井的主要承载体钻柱的力学分析和计算要求也逐渐增高,关系到整 口井顺利完钻的成败。严重时引起钻柱失效、跳钻等钻井事故发生。因此有必要开展定向井 钻柱振动研究,对定向井的设计和钻具的优选都具有重要的指导意义，为提高现场钻井技术水 平和降低钻井成本提供技术支持和理论保障。 关键词：海上钻井；钻柱；耦合振动 钻井工程是石油天然气勘探开发的主要手段和油气生产的关键工序之一，大力发展钻井创技 术是提高油气采收率最具潜力的手段之一。目前，世界钻井技术日创月异，定向井、水平井 等技术在油田普遍得到使用，在老油田，油田开采后期侧钻水平井、大位移井等创技术成为 提高采收率的最有效手段之一。而钻井力学对这些创的钻井方式提供了理论支持和技术指导。 1 钻柱在不同的工作状态下受到不同的载荷 （1）轴向力：起下钻时，由于钻柱自身重力作用，使整个钻柱受到拉力，井口处最大，越 向下越小。在钻井液条件下，钻柱受到钻柱的浮力，浮力作用方向与拉力正好相反，因此减 小了钻柱的上部拉力。钻柱与井壁间存在摩擦力，使得下钻时减小上部钻柱拉力，起钻时增 加上部钻柱拉伸载荷。（2）扭矩：钻盘转动带动钻柱、钻头旋转，并克服钻柱与井壁间存 在摩擦阻力，使钻头破碎岩石，因此钻柱内存在扭矩，并且井口处扭矩最大，钻头处扭矩最小。（3）弯矩：正常钻进时，当施加的钻压超过钻柱的临界值时，下部钻具受压发生弯曲 变形。在转盘钻进时，钻柱在离心力作用下也会产生弯曲。钻柱在弯曲井眼内工作时，也将 发生弯曲，弯曲变形的钻柱在轴向压力的作用下，将受到弯曲力矩的作用，产生弯曲应力。 在弯曲状态下，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。（4）振动：钻进时， 钻头和井底不连续的接触引起的钻柱上下运动；钻柱偏心或钻柱绕井眼轴线公转诱发的横向 摆动；钻头破碎岩石时井底反扭矩的变化等因素引起的振动。（5）动载：在起下钻施工时，由于钻柱运动速度的变化，会引起纵向振动，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力，动载的大小 与操作因素有关。 2 钻柱振动 钻柱疲劳破坏和钻柱失效的影响因素很多。其中钻柱振动与钻柱疲劳破坏和钻柱失效事故有 着直接关系，（1）由于受钻柱振动的影响，钻压不能均匀地加在钻头上，实测井底钻压波 动值在±35％～±100％之间变化。钻头因钻柱的剧烈跳动而跳离井底，冲击载荷又使得钻头 轴承和镶齿过早发生破坏，因此钻头的总进尺和机械钻速都大为降低。（2）钻柱自身的剧 烈振动，将引起钻柱上连接螺纹疲劳断裂。钻铤螺纹受到的影响最为严重，断裂常发生于此。由于横向振动难于避免，因而在某些井段引起钻柱公转，这是造成钻杆街头偏磨的主要原因 之一。（3）当钻柱振动比较严重时，方钻杆将在钻盘内猛烈跳动，死绳出现大幅度晃荡； 指重表指针来回摆动，往往引起钻机和井架的强迫振动，因而对地面设备有一定的破坏作用。钻柱的振动主要有三种形式：纵向振动、横向振动、扭转振动。三种振动形式形态 不同。纵向振动是沿着钻柱轴线方向；横向振动又被称为弦振；扭转振动则像钟表内的弹簧 带动摆轮，左右反复扭动。钻柱振动有时还表现为三种振动形式的耦合振动，同时也伴有钻 井液、井壁等因素的影响，因此钻柱耦合振动分析是一个复杂的动力学问题。因此研究钻柱 耦合振动规律是一项有意义、有必要的研究。 3 钻柱耦合振动规律分析 Poletto.F.等人认为钻头的振动将影响对钻柱振动信号的采集，使信号不能真实反映钻柱与井壁、泥浆等耦合振动的实况，他们建立了描述钻柱波动的数字模型，用以自动地校正钻头对
ANSYS用于钻杆扭转振动分析 XXX （XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX） 摘要：钻杆是钻进工程中十分重要的部件，解析法难以精确地和全面地完成钻杆振动分析，而现有的CAE软件却提供了可能。以钻杆的扭振为切入点，利用ANSYS软件对钻杆整体扭转振动进行分析，得到钻杆壁厚、钻杆长度对固有频率的影响。 关键字：钻杆，扭转振动，ANSYS分析 Drilling pipe torsional vibration analyses with ANSYS XXX (XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX) Abstract: Drilling pipes are very important parts in drilling engineering. It is difficult to accurately and fully finish drilling pipe torsional vibration analyses using analysis method. But the CAE softwares provide the possibility. The relationship between the intrinsic frequency and wall thickness of drilling pipe , length of drilling pipe are gained by analyzing the torsional vibration of drilling pipe using ANSYS. Key words: drilling pipe; torsional vibration; ANSYS analysis 1 前言 钻杆是钻进工程中十分重要的部件。钻杆在钻进中有着比较复杂的工况，受到复杂的外力，且具有复杂的变形和复杂的运动学、动力学状态。 钻杆振动是指在钻进过程中，由于钻杆与井壁、钻头与岩石之间的相互作用使钻杆受力变形而产生的复杂振动。它一般分为横向振动、纵向振动和扭转振动。传统的解析法难以精确和全面地完成钻杆振动分析。为此，利用有限元分析软件ANSYS，以钻杆的扭转振动为切入点，使我们看到对钻杆进一步精确和全面分析的希望。 2 钻杆扭转振动频率求解 2.1 基本假设与力学模型建立 在保证模型与工程实际接近的基础上，为简化计算，进行如下假设[1]： (1)钻杆为均质弹性直杆，忽略接头的影响； (2)井眼轴线与钻杆轴线重合，忽略钻杆的弯曲变形和与井壁的摩擦作用； (3)忽略钻头、底部岩芯管的几何尺寸简化为一质量体。
超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析 滕学清;狄勤丰;李宁;陈锋;周波;王敏 【摘要】粘滑振动是引起钻具失效、影响钻井时效的复杂振动形式,国内外学者对其产生机理进行了大量研究,但至今没有定论.采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三轴加速度,通过分析三轴加速度的特征,研究了井下钻柱的粘滑振动特征.结果表明:实测井段发生了大量的粘滑振动,粘滑振动频率约为0.11 Hz,粘滑振动周期约为9.0 s,粘滞时长达4.0 s,滑脱阶段井下钻柱转速最大达330.0 r/min,约为地面转速的2.75倍;粘滑振动与地面测量扭矩波动具有很好的对应关系,说明可以通过地面测量扭矩特征初步判断井下钻柱是否产生粘滑振动.频域分析结果表明,当发生滑脱运动时,径向加速度的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值最大,同时还包含横向共振频率和与井壁接触产生的外激励频率等,但轴向振动的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值较小,表明钻柱粘滑振动过程中扭转振动最为突出,并存在强烈的横向振动和较弱的轴向振动.研究结果对描述粘滑振动的特征、判断超深井钻井过程是否发生粘滑振动和及时采取消除粘滑振动技术措施具有指导作用.%Complicated stick-slip vibration might induce drilling tool failure and negatively impact drilling efficiency.Much research has been conducted on the mechanisms that cause the generation of such a vibration but they have not been able to arrive at a confirmed conclusion.In this paper,we present a study in which we used ESM drill string vibration measuring devices and tri-axial accelerations of a downhole drill string in an ultra-deep well.Through the analysis of tri-axial acceleration,the stick-slip vibration features of the drill string were reviewed.Research results showed that massive stick-slip vibration occurred in the concerned interval with a
油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。油气井杆管柱力学主要研究钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析, 可以实现快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道；准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计；优化油气井井眼轨道；及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题；优选钻采设备和工作参数。 燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰等在国家“八五”重点科技攻关项目“石油水平井钻井成套技术”、国家“九五”重点科技攻关项目“侧钻水平井钻井采油配套技术”、“863”计划项目“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”和“海底大位移井钻井技术”、国家自然科学基金项目“防止热采井套管热破坏的固井新技术”等支持下，在建立油气井杆管柱力学理论体系研究方面取得多项重要创新性科学发现。 一、提出了油气井杆管柱动力学基本方程, 该方程统一了原有的油气井杆管柱力学分析领域的各种微分方程, 为油气井杆管柱的各种动静态力学分析奠定了基本理论基础 应油气田开发的迫切需要, 科学界自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究, 发表了数以百计的学术论文。特别是“七五”和“八五”期间国家组织的对定向丛式井和水平井的科技攻关, 使我国的油气井杆管柱力学研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的。对某些问题，如动力问题和几何非线性问题研究较少。为此，需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究, 建立统一的理论。
李子丰教授通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，推导了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程，现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到，所以，该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。 二、建立了斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，指出了“虚构力”理论的错误 石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态，发生正弦或螺旋屈曲。屈曲后，杆管柱内的应力急剧增加，与井壁的摩擦阻力增加，会发生自锁现象，严重时可发生强度破坏。 李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发，推导了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程，建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲,给出了螺旋屈曲管柱的力学分析方法。 通过对内外压力对管柱稳定性的影响研究发现，(1)传统的油井管柱稳定拉力或虚构拉力的计算公式是错误的；(2)内外压力对悬挂油井管柱的稳定性没有影响；(3)内外压力本身对两端固定的油井管柱的稳定性没有影响，两端固定后，内外压力的变化对油井管柱的稳定性有影响；封固后管柱的等效轴向力与封固时管柱的轴向力、材料泊松比、内压变化量、外压变化量和内外管截面积有关；(4)对于两端固定的油井管柱，内压增加降低管柱的稳定性，外压增加提高管柱的稳定性。 三、建立了油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型 在油井作业中, 由杆管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大的影响, 甚至成为作业成败的关键。先进的拉力和扭矩模型, 尤其在与先进的地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时可以实现如下目的: (1) 优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小; (2) 选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计; (3) 监测井下问题; (4) 指导下套管作业; (5) 确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽是否存在; (6) 决定是否改变泥浆性能; (7) 根据地面悬重计算钻头实际钻压。 李子丰教授依据油气井杆管柱动力学基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，并在下列领域得到了成功的应用：（1）钻柱强度分析和优选；（2）井下作业管柱力学分析；（3）井下岩屑床和其它复杂情况监测；（4）优选井眼轨道；（5）钻柱和套管减磨设计等。 四、建立了试油管柱力学分析的数学模型
新型旋冲螺杆钻具力学研究与实验分析 2. 川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，710018。) 摘要：石油作为能源产业的重要支柱，对国家民生和建设至关重要。作为国 家经济发展的重要储备能源，油气的勘探开采必然会面临越来越复杂的地层条件。随着井深的增加，岩石在地层围压的作用下，其硬度和强度都会明显增加。这导 致了钻头在破岩方面的效率不高，寿命降低，以及钻井速度大幅下降等一系列问题。本文提出了一种新型螺杆式旋转冲击钻井工具，进行了结构设计，建立了工 具井下动力学轴向振动模型，并通过室内实验验证了相关理论计算与模型的正确性。研究结果对于今后相关钻井增速提效和工具研究等方面提供一定的参考价值。 关键词：螺杆钻具；旋转冲击；动力学模型；实验测试 Mechanical research and experimental analysis of a new type of rotary punching screw drill Yang Kun1, Liu Zhenglian1 (1. Chuanqing Drilling Engineering Co., LTD. Xinjiang branch. 2. Chuanqing drilling engineering Co., Ltd. drilling and production engineering technology research institute.) Abstract: As an important pillar of the energy industry, petroleum is of great importance to the people's livelihood and construction of the country. As an important reserve energy for national economic development, the exploration and exploitation of oil and gas will inevitably face more and more complicated formation conditions. With the increase of well depth, the hardness and strength of rock will increase obviously under the action of formation confining pressure. This has led to a series of problems such as poor drill bit efficiency
从数据与仿真结果探讨气体钻井中钻柱动力学的特 性 相关才子的毕业论文这样描述：根据气体钻井全井段钻柱动力学模型，以川西某实钻井(该井井深为4693．15m，三开和四开部分井段由气体钻井完成)的钻井参数、钻具组合和实测井眼扩大率为计算参数，研究气体钻井钻柱动力学特性如下： 1 基本数据 钻具组合：声241．3mm钻头+回压阀+声177．8mm无磁钻铤1根+≯177．8mm钻铤20根(7"DC)+JZ—T178机械式随钻震击器+旁通阀+拳127mlTl加重斜坡钻杆(5”HWDP)12根+声127mm斜坡钻杆(5”DP)+方钻杆。 钻井参数：钻压为5X104N，转盘转速为5．24rad／s，井口处注入气体压力为2MPa、气体密度为24kg／m3、气体黏度为2．0×10‘5Pa·S。 2仿真结果分析 根据气体钻井钻柱动力学模型和案例井的实钻参数，开展了气体钻井钻柱系统的动态特性仿真。限于篇幅，在此仅讨论工程界最关注的动态钻压、钻头振动轨迹和井口的动态阻力矩。动态钻压和钻头振动轨迹(幅值)相结合可反映出近钻头处钻具组合的振动剧烈程度。 首先将钻柱动态仿真结果与美国ESSO公司现场所测数据对比，以验证动力学计算结果的可靠性。由于目前尚未有气体钻井钻柱振动的井下测量数据来源，因此采用ESSO公司的泥浆钻井钻柱振动数据来侧面验证。 常规气体钻井实钻钻压围绕静钻压5×104N上下剧烈波动，振幅约为静钻压的20％～60％；最大瞬时钻压达(15～45)×104N，约为静钻压的3～9倍。ES-sO公司现场测量数据：钻压平均波动范围约为静钻压的25％～50％，最大瞬时钻压可达静钻压的3．5倍。 常规气体钻井钻头在仿真历程的大部分时刻内的跳动幅值为0～12mm，峰值为26mm。跳动较为剧烈。ESSO公司现场测量数据为：在正常情况下钻头跳动幅度为1．6mm甚至更小．个别情况下极限峰值可达25．41Tim。另外，钻头转速响应情况可看出常规气体钻井钻头的涡动非常明显，钻头常沿井壁反转。 常规气体钻井钻柱阻力矩波动范围很大，幅值为(一7～5)kH·m，均值为一3kN·m。ESSO 公司测量了泥浆钻井中钻柱的井底扭矩(井底扭矩表征主动扭矩与扭转摩阻之差)，测量表明：井底扭矩的变化幅度大约是井底平均扭矩的20％～40％，最大值达到平均扭矩的2．4倍。
钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。开展钻柱力学研究, 对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等都具有重要意义。钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史, 许多研究成果已经应用 到生产实践并产生了巨大的经济效益, 但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复的受力、变形和运动状态,直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定计算。近年来, 着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大, 井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力研究提出了更高的要求。与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼。 实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。然后将钻柱力学分为钻柱力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。 在20世纪20- 30年代, 人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有Lubinski是钻柱力学的创始人。1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手, 开创了钻柱力学研究的新局面,该研究成果得到了公认。 (1)钻柱的运动状态; (2)钻柱的应力、应变和强度; (3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。这是钻柱力学研究的3个主要方面, 互相联系、互相影响、不可分开。在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,形成了几种比较典型的研究方法,即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。 经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。这种方法在考虑因素较多时,建立分方程很复杂,用经典微分方程法求解比较困难。能量法是一种求解简单的弹性力学问题的方法。它要求势能函数不仅要满足弹性力学的控制方程,而且要满足边界条件, 通过解的形式设及有关参数的确定, 可得到问题的解答。由于满足以上2个条件是一件非常困难的事情。因此, 这一方法的应用受到了限制。有限差分法是一种近似方法。是通过对钻柱进行力学分析得到钻柱微分方程式, 再通过适当的差分转换将位移控制方程转化为差分的形式求解。由于差分方程的系数是可变的,因此可以很容易考虑非线性的影响;同时,由于差分区间可以减小, 可以比较容易考虑井眼的约束。但是要得到精确的解。答, 差分区间必须取得很小, 这样就使矩阵的维数增加, 降低了计算速度。对于钻柱力学来说,有限差分法是一种有效的近似计算方法。纵横弯曲连续梁法是一种精确解法, 这种方法是将钻柱视为相互联系的纵横弯曲的连续梁, 应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非线性代数方程, 该方程物理概念清楚, 计简单, 且速度较快。由于这种方法是将三维空间问题分解成2个独立的二维问题求解,力学型简化得太多,忽略了扭矩及可能的力和变形的耦合问题。这种方法在国内得到了推广和应用。有限元法也是一种近似数值计算方法,这种方法是通过将钻柱分解为有限的离散梁单元, 再通过适当的合成方法将这些单元组合成一个整体, 用以代表原来的钻柱状态,并最终得到组以节点位移为未知量的代数方程组。有限元法的物理概念清楚、简单, 实用性强。不限制柱的材料和几何形状, 且对单元尺寸也无严格的要求;又可以较容易地考虑非线性的影响。目前发展的接触有限元法, 考虑了钻柱、稳定器与井壁之间的初始接触摩擦力,力 学模型比较准确,考虑因素较多, 解题的速度虽然是这几种方法中最慢的,但也可满足需要。加权余量法是一个求解微分方程定解问题的强有力的数值方法, 具有简便、准确、工作量小、残差可知等优点,已成功地用于下部钻具组合的大小挠度力学分析中;当然,要进一步提高度就得增加试函数项数,也会增加一些运算量。油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩 意义拉力和扭矩模型, 尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测可达到如下目的:
钻柱振动特性的仿真分析 邓昌松;宋周成;练章华;何银坤;汪鑫;陈新海 【摘要】The dill string vibration is inevitable during drilling process due to various causes.With in-depth research, it is recognized that the drill string vibration not only has negative influence on drilling operation, but also can be used to get a lot of underground https://www.doczj.com/doc/8c19170620.html,ing a drill pipe model, the analysis was made on the vibration characteristics under dif-ferent working conditions; multiple modes of transverse vibration, longitudinal vibration and torsional vibration were ob-tained, as well as the corresponding stress-strain diagram.The vibration modes were compared with the diagram and the consideration was also made on the drill string failure modes in order to find out the correlation between vibration and drill string failure to make vibration helpful in production.%钻进过程中，钻柱振动是不可避免的，而且钻柱产生振动的原因是多方面的。随着研究的深入，人们不仅认识到钻柱振动对钻井作业产生的负面影响，还认识到利用振动可以得到许多井下信息。运用一根钻杆模型，分析了其在不同工作状况下的振动特性，得到了钻杆在横向、纵向、扭转振动的多阶振型，以及对应的应力应变图。对照振型和应力应变图，联系钻井实践中各种钻柱失效形式，以期从中找出一些振动与钻柱失效的关联，更好地利用振动去解决生产问题。 【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》 【年(卷),期】2015(000)009 【总页数】4页(P61-64)
高速列车-无砟轨道-桥梁耦合系统振动特性分析 利远翔;雷晓燕;张斌 【摘要】根据高速列车-无砟轨道-桥梁系统运动的特点,建立了适合该问题动力学分析的新型车辆单元和轨道-桥梁单元,运用有限元方法和Lagrange方程,推导了两种单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵.整个列车-轨道-桥梁系统被离散为车辆单元和轨道-矫梁单元,其中一节车辆离散成一个车辆单元,轨道-桥梁系统离散成四层梁单元.最后通过一个实例计算对整个系统进行垂向振动特性分析. 【期刊名称】《华东交通大学学报》 【年(卷),期】2010(027)003 【总页数】8页(P14-20,26) 【关键词】车辆单元;无砟轨道-桥梁单元;耦合系统;振动分析;高速列车 【作者】利远翔;雷晓燕;张斌 【作者单位】华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,江西南昌,330013;华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,江西南 昌,330013;华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,江西南 昌,330013 【正文语种】中文 【中图分类】U213.2 国内外对于车辆—轨道系统动力学及车辆—桥梁系统动力学的研究已经相当深入,
但是由于各自不同的目的,将车辆、轨道和桥梁作为一个整体系统加以研究的却不多见。从上世纪80年代起,国内外学者对快速列车和重载列车引起的地面振动及对周围环境的影响进行了较多研究,提出了一些计算方法和计算模型。如在1994年,日本的Fujikake[1]和松浦章夫[2]分别就交通车辆引起的结构振动发生机理、振动波在地下和地面的传播规律及其对周围居民的影响进行了研究,提出了环境振动水平的预测方法。日本铁道技术研究所还就新干线高速列车对环境振动的影响进行了现场测试,分析了车辆、轨道、桥梁等不同部位的振动特点,并研究了不同类型屏障的隔振效果。而对于高架轨道系统诱发环境振动特性的研究,源自于1999年开始动工修建的台湾高速铁路,经过台南高科技园区的一段高架轨道振动超标,从而引起了国内外学者对高架轨道诱发环境振动的关注并开始研究。台湾成功大学教授朱圣浩等[3-4]采用有限元的方法,在建立车辆—桥梁—大地耦合振动的三维有限元模型时,将列车以动轮单元模拟,大地采用三维块体单元模拟,分析了高架轨道引起的周边建筑物的振动。本文建立了车辆单元模型、轨道—桥梁单元模型,推导了车辆—轨道—桥梁耦合系统的振动方程,并在Matlab软件中编制了程序,最后通过一个实例分析了高速列车—无砟轨道—桥梁耦合系统垂向振动特性。 1 车辆单元模型 本文的模型是在雷晓燕教授的车辆—轨道—地基耦合系统模型[5-7]的基础上建立的。图1为车辆单元模型,在整车模型中,车体和转向架考虑沉浮振动和点头振动,车轮考虑沉浮振动,每节钢轨上两个节点考虑竖向位移和转角,整车模型有26个自由度。 图1中,Mc,Jc为车体的质量与转动惯量;Mt,Jt为转向架的质量与转动惯量;ks1,ks2为车辆一、二系悬挂刚度;cs1,cs2为车辆一、二系悬挂阻尼;Mwi(i=1,2,3,4)表示第i个车轮的质量;kc为轮轨间接触刚度;vc,θc为车体沉浮振动的竖向位移、车体点头振动的角位移;vi,θi(i=t1,t2)表示前、后转向架沉浮振动的竖向位移、点头振动的
振动响应传递率的动力学特性研究及其在工作模态分析中的应 用 李星占;董兴建;岳晓斌;黄文;彭志科 【摘要】振动响应传递率描述了多自由度系统中各自由度响应之间的关系,近年来在多个领域得到了广泛的应用,特别是在工作模态分析方面,获得了瞩目的应用成果.但对于振动响应传递率的动力学特性,一直缺乏完整的、系统的分析.为此,将从振动响应传递率的基础概念出发,对不同输入情况下,振动响应传递率在系统零极点的特性和对系统输入的依赖性进行解析推导分析;然后,通过数值算例对振动响应传递率的特性进行仿真验证;最后,应用振动响应传递率对非白噪声激励下梁结构的工作模态进行了辨识,表明基于振动响应传递率的工作模态分析方法能够避免虚假模态对辨识结果的影响. 【期刊名称】《振动与冲击》 【年(卷),期】2019(038)009 【总页数】9页(P62-70) 【关键词】振动传递率;系统零极点;工作模态分析;虚假模态 【作者】李星占;董兴建;岳晓斌;黄文;彭志科 【作者单位】中国工程物理研究所机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240;中国工程物理研究所机械制造工艺研究所,四川绵
阳621900;中国工程物理研究所机械制造工艺研究所,四川绵阳621900;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240 【正文语种】中文 【中图分类】TH113.1 振动响应传递率是一种描述测点响应之间振动传递特性的物理参数，与结构的频率响应函数一样，振动响应传递率与结构的动力学特性紧密相关。基于振动传递率的动力学特性，近年来传递率已经在多个领域得到了广泛的应用，如结构响应估计[1]、损伤检测[2]、工作模态分析[3]、频率响应函数的估计[4]、力辨识[5]和传递路径分析[6]等。特别是在工作模态分析领域，基于振动响应传递率的工作模态分析方法得到了深入的研究和广泛的应用。 Devriendt等[7-8]最早提出基于单参考点传递率的工作模态分析方法。这种方法依赖于传递率的动力学特性。在极点处，结构的传递率趋近于结构的振型比，且不受激励位置和激励类型的影响，两个不同激励状态下的单参考点传递率的曲线在极点处交叉。通过对多次不同激励下的传递率矩阵进行奇异值分解，即可辨识出结构的模态。之后，Devriendt等[9-10]又将这种方法推广到基于多变量传递率和伪传递率的工作模态分析方法。结果证明，在多输入的情况下，仍然可以利用振动响应传递率辨识结构的模态。基于传递率工作模态分析方法的根本在于极点处传递率对于输入的独立性。当输入增加时，传递率在极点处的特性会发生变化。Weijtjens 等[11-12]提出了一种针对多输入对输出系统的工作模态分析方法。该方法提出利用多参考点传递率，通过分析获得一组与不同激励状态下多参考点传递率正交的向量，将系统极点的求解转换为一个非线性特征值问题。采用多参考点复频域最小二乘方法求解特征值，获得系统极点的稳定图。周思达等[13]提出了一种改进的基于