全井钻柱动力学分析软件,包括前处理、计算分析模块和后处理显示部分(见图1)。其中前处理部分包括钻井参数和钻柱参数输入(见图2)、几何模型建立、边界条件施加、网格剖分及数据输出保存(见图3);计算分析模块包括静力学分析和频域分析;动力学特性计算后处理部分,主要是根据计算核心部分得到的数据,进一步求解钻柱各个位置的应变、应力,并形成动态应力图、曲线图等,还可以制作动画,以方便、直观地观察钻柱的运动状况(见图4)。
图1软件系统结构
图2前处理参数输入
图3 前处理结构
图4 后处理结构
操作系统: Windows 7(64位)以上
(1)软件启动:点击Drilling.exe启动软件,新建项目进行项目名、工程路径和计算问题类型设置。如图5所示。
图5 新建项目
(2)整体界面介绍:整个界面主要分菜单栏、操作控制区、显示控制区、显示控制区工具栏、状态栏及信息输出。如图6所示。
图6 整体界面介绍
(3)显示控制区工具栏介绍:整个工具栏主要分显示网格面、平移、旋转、缩放、适屏缩放、阴影、阴影和线、轴线有限元、拾取、清楚、导入几何模型、导入网格模型、平面视图及立体视图操作。如图7所示。
图7工具栏介绍
(1)首先点击井眼轨迹输入窗口,进行井号输入、井深及井眼坐标输入,也可以通过导入井眼尺寸数据进行输入,再点击确定把井眼模型数据储存起来。如图8所示。然后点击井身结构输入窗口,进行井眼轨迹对应井身结构的井眼类型、深度、长度、内径及摩擦系数参数输入,点击确定把井眼模型对应的井身结构数据储存起来。如图9所示。其次点击钻具组合输入窗口,进行钻具组合的钻具类型、井深、长度、内径、外径及线重等参数输入,点击确定把井眼模型对应的钻具组合数据储存起来,并显示最终建立的钻柱井模型。如图10、图11所示。
注意输入模型数据其中井身结构的内径要大于钻具组合中的外径。
图8 井眼轨迹输入
图9 井身结构输入
图10 钻具组合输入
图11 模型建立
(1)点击自动网格生成,进行计算区域的网格剖分单元大小设置,并显示。如图12所示。
图12 网格设置
(2)如果需要进行某个区域进行加密,可以进行自定义剖分。如图13所示。
图13 进行自定义剖分设置
(1)点击边界条件设置进行计算区域约束和载荷施加,输入模式可以选模型拾取跟手动输入两种模式施加,是否约束选1为自由应力的节点,选-1为约束位移的节点。tx、ty、tz、rx、ry、rz分别为3个正方向数值和3个切方向数值,节点框输入的施加节点显示和输入窗口,点保存施加完成,每次重新施加之前点击重置,如图14所示。
图14 边界条件设置
2.2.4 接触静力分析
两端固定受均布载荷作用的梁,设梁长度l=10m,梁与刚性面间距为δ=0.05m,梁的抗弯刚度EI=6.1350×104N∙m2,载荷q取三种不同值:(1)q=353.376N/m;(2)q=400N/m;(3)q=1500N/m。划分为100个单元,每个单元的长度为0.1m。在不同载荷条件下梁与刚性平面接触变形云图15,接触位置云图显示如图16。
如图15 不同载荷条件下梁与刚性平面接触变形云图
如图16 接触位移云图显示
2.2.5 频域分析
仍然研究长度为10m的两端固定的梁,梁的弹性模量为100GPa,泊松比为0.3,钻柱内径为0.2m,外径为0.3m,密度为7800千克/立方米。计算得到梁的前五阶固有圆频率分别为:33.23,156.14,344.94,595.89,695.33。前五阶模态如图17所示,其中第五阶频率对应于轴向转动。
图17梁的前5阶阵型,其中第5阶振型为轴向扭转振动