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抽油杆柱稳定性分析与变形仿真

作　者: 张洁
导　师: 于桂杰；李瑞勇
学　校: 中国石油大学
专　业: 力学
关键词: 抽油杆柱稳定性变形纵横弯曲扶正器间距程序设计仿真计算
分类号: TE933.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

抽油杆的变形失效加速了井下设备的损坏,不仅增加了修井作业的次数,还引发了一系列工程问题,成为油田作业的主要原因之一,对石油开发造成了严重经济损失,受到了各大油田的普遍关注。目前,许多学者都将失效原因之一归结为抽油杆柱的弯曲变形,并提出了合理安放抽油杆扶正器以防止抽油杆柱变形的观点。本文基于纵横弯曲理论,通过分析抽油杆的载荷和变形情况,明确了研究抽油杆弯曲变形的力学模型应为纵横弯曲连续梁。在对模型的处理上,除考虑扶正器处的内弯矩外,还考虑了支座反力、附加阻力(支座处摩擦力)以及产生的附加弯曲应力对抽油杆柱变形的影响。为简化力学模型求解的复杂度,计算时先利用简支梁模型初步分析抽油杆的载荷和变形,再基于纵横弯曲理论,采用连续梁模型对抽油杆的弯曲变形情况进行校核修正。经分析,确定了抽油杆在油管中的实际变形形状以及扶正器的合理配置间距,为扶正器的安放提供了理论依据。为便于实际操作,在理论分析的基础上,利用Visual Basic 6.0开发环境编制了相应的计算软件,该软件界面简单,操作方便。利用程序计算结果确定抽油杆的变形情况以及扶正器的配置间距,可以避免施工盲目性,充分实现了理论分析工程化,具有实际工程应用的价值。由于抽油杆变形过程涉及各种非线性问题,为验证程序计算的正确性,本文从有限变形理论和有限元数值分析方法出发,对抽油杆柱进行了非线性有限元分析,并利用ANSYS软件仿真模拟了抽油杆柱的变形形状,得到的模拟结果与程序计算结果两者比较吻合,从而验证了程序计算的正确性和可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 本文研究目的及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-18
    1.2.1 结构稳定性研究  10-11
    1.2.2 钻采管柱力学研究  11-17
    1.2.3 抽油杆扶正器配置间距研究  17-18
  1.3 本文主要研究工作  18-20
  1.4 本文创新点  20-21
第二章抽油杆柱稳定性分析理论计算  21-40
  2.1 抽油杆载荷分析及力学模型  21-27
    2.1.1 抽油杆纵横弯曲载荷分析  21-24
    2.1.2 抽油杆中和点位置的确定  24
    2.1.3 抽油杆变形分析力学模型  24-26
    2.1.4 多级抽油杆的相关问题  26-27
  2.2 抽油杆柱弯曲变形分析  27-34
    2.2.1 纵横弯曲变形分析  27-29
    2.2.2 三弯矩方程的建立  29
    2.2.3 补充方程的建立  29-30
    2.2.4 求解三弯矩方程组  30-32
    2.2.5 支座反力及附加弯曲应力计算  32-33
    2.2.6 挠度计算及接触点判断  33-34
  2.3 抽油杆变形简支梁解法  34-38
    2.3.1 简支梁力学模型的简化  35
    2.3.2 简支梁失稳间距方程  35-38
    2.3.3 求解简支梁失稳方程  38
  2.4 本章小结  38-40
第三章抽油杆柱稳定分析程序设计及实例计算  40-60
  3.1 程序设计系统及模块功能划分  40-41
  3.2 模块程序设计过程  41-46
    3.2.1 载荷分析模块  41-42
    3.2.2 简支梁模型分析模块  42-44
    3.2.3 连续梁模型分析模块  44-45
    3.2.4 变形分析模块  45-46
  3.3 实例计算与结果分析  46-58
    3.3.1 实例1：计算结果对比  46-49
    3.3.2 实例2：影响因素分析  49-53
    3.3.3 实例3：变形分析及扶正器间距计算  53-58
  3.4 本章小结  58-60
第四章抽油杆柱有限元分析及变形仿真计算  60-79
  4.1 抽油杆柱非线性有限元分析  60-69
    4.1.1 纵横弯曲有限元分析  60-63
    4.1.2 接触非线性有限元分析  63-65
    4.1.3 非线性有限元分析总体平衡方程式  65-67
    4.1.4 压杆特征值分析  67-69
  4.2 抽油杆柱有限元模型分析  69-71
    4.2.1 有限元模型的建立  69
    4.2.2 边界条件简化  69-70
    4.2.3 载荷情况简化  70-71
  4.3 抽油杆柱变形仿真计算  71-78
    4.3.1 特征值屈曲分析计算  71-74
    4.3.2 非线性屈曲分析计算  74-78
  4.4 本章小结  78-79
结论  79-80
参考文献  80-84
致谢  84

抽油杆柱稳定性分析与变形仿真

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