CN109446742B - 半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法 - Google Patents
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Abstract
半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法，包括以下步骤，步骤一：在三维设计软件建立三维实体模型；步骤二：将三维实体模型导入到ADAMS软件中；步骤三：在ADAMS软件中建立多刚体动力学仿真模型；步骤四：在ADAMS软件中建立多柔体动力学仿真模型；步骤五：风载荷加载；步骤六：进行多刚体、柔体动力学仿真并获取相应的输出数据与曲线；本发明对深水半潜式钻井平台在风浪作用下管子处理装备抓管机工作时的动态特性进行仿真，可以提高分析、计算精度，为抓管机的设计、优化提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及海洋石油装备技术领域，特别涉及一种半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法。
背景技术
半潜式钻井平台在钻井作业时采用升沉补偿装置、减摇设施和动力定位***等多种措施来保持平台在海面上的位置，方可进行钻井作业，但是平台在风浪作用下仍将产生横摇，垂荡，横荡等运动。抓管机是平台上作业的大型管子处理装备之一，用于完成将平台堆场上的钻杆、套管等管柱抓吊起后放置在动力猫道上，再由后续的排管机等装备实现自动化钻井作业。管子处理装备抓管机在工作时承受的载荷大，载荷复杂，设计时在保证强度条件下，还应考虑其轻量化。传统基于经验的静强度设计不能准确掌握装备在运行过程中的动态特性，再考虑风浪影响下平台基础的运动，对装备进行精确多体动力学分析难度更大，增加了装备的设计难度。
发明内容
为了克服管子处理装备的设计难点，避免所设计的装备在工作时产生强度不足而破坏等重大事故，本发明的目的在于提供一种半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法，具有动态仿真精度高，简便快捷的特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法，包括以下步骤：
步骤一：用三维设计软件建立三维实体模型；
步骤二：将三维实体模型导入到ADAMS软件中；
步骤三：在ADAMS软件中建立多刚体动力学仿真模型，添加相邻构件之间的运动副约束和驱动约束，根据实际驱动类型、位置需求，在相应的运动副上添加驱动约束，并根据实际工作参数设置各驱动约束的运动函数；
步骤四：在ADAMS软件中建立多柔体动力学仿真模型；
步骤五：风载荷加载；
步骤六：进行多刚体、柔体动力学仿真并获取相应的输出数据与曲线；通过ADAMS后处理模块，获取相应的输出数据与曲线，为对比多刚体与多柔体仿真模型，在多柔体模型动力学仿真之后，将各柔体构件进行失效，恢复原来位置的刚体构件，对多刚体构件进行仿真，进行多柔体和多刚体模型仿真的分析比较。
所述的步骤二具体为：
将三维实体模型导入到ADAMS软件中，设置好量纲，调整模型的位置、角度，给各个构件设置名称、材料参数，外观颜色；建立能够模拟半潜式钻井平台在海浪作用下产生运动的模拟平台，在惯性坐标系中，在风浪影响下，深水半潜式钻井平台能发生的运动包括绕x，y，z三个坐标轴的横摇、首摇、纵摇的转动自由度和沿x，y，z三个坐标轴纵荡、垂荡、横荡的平移自由度，以及几种运动的组合；为了模拟这几种运动，分别在平台底部建立运动构件与运动副，用于模拟在海浪影响下平台的响应，由于首摇运动较小，影响很少，不做此运动模拟，方法如下：
在纵摇基座1和横摇构件2之间建立了纵摇转动副13,并且在该转动副上建立转动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的横摇；
在横摇构件2和垂荡构件3之间建立了横摇转动副14,并且在该转动副上建立转动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的纵摇；
在垂荡构件3和纵荡横荡构件4之间建立了垂荡移动副10，并且在该上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的垂荡运动；
在纵荡横荡构件4和固定基座5之间建立了纵荡移动副8，并且在该移动上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的纵荡运动；
同时在纵荡横荡构件4和固定基座5之间建立了横荡移动副15，并且在该移动副上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的横荡运动；
同时在以上构件之间分别建立了固定副a 6，固定副b 7，固定副c 9，固定副d 11，固定副e 12，当不需要考虑海浪影响时，设定以上固定副处于激活状态，以上的其余运动副和驱动全部设定失效；当需要模拟其中一种或几种工况时，先将相对应构件之间的固定副设定失效，然后将对应的运动副和驱动激活使其处于激活状态，便分别可以模拟在海浪作用下平台的横摇，纵摇，垂荡，纵荡，横荡几种工况中的一种或根据实际情况下几种工况的叠加。
所述的步骤三中添加相邻构件之间的运动副约束和驱动约束，具体如下：
在抓管机中添加运动副如下：在立柱与旋转支架间、旋转支架与主臂间、主臂与折臂间、旋转支架与主臂液缸筒间、主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间、折臂与折臂液缸杆间分别添加转动副；在主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间分别添加移动副；
在抓管机中添加驱动约束如下：在立柱与旋转支架间的转动副上添加转动驱动，并按实际工况设置角位移驱动函数；在主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间的移动副上分别添加位移驱动，并按实际工况设置位移驱动函数；在构件关键位置建立局部坐标MARKER，根据实际工况在相应的构件的MARKER点上添加载荷类型，设置载荷的方向，载荷函数；
对于所要分析构件的MARKER点添加测量函数，以在仿真过程中测量该点的运动参数或力学参数，运动参数包括位移、速度、加速度，力学参数包括力、力矩，完成多刚体仿真模型的建立，作为多柔体模型建立的基础，建立的抓管机多刚体仿真模型。
所述的步骤四，具体步骤如下：
(1)分别将多刚体模型里面的构件生成MNF模态文件；
对于以上机构中需要转化为柔体的构件，分别在三维实体建模软件中将该构件的三维实体模型另存为SAT等格式；
将以上文件导入到有限元分析软件，调整好模型比例，设置材料弹性模量、密度、网格划分类型；
进行有限元网格划分，划分完成好后将网格划分后的模型转化为MNF格式文件；
(2)在ADAMS中导入MNF文件，将该柔体构件调整方向、位置，与需要替换的刚体构件完全重合，将原刚体构件实效，在柔体构件与其相连接的构件处建立无质量的虚构件，并与柔体构件固定，在该虚拟构件与相连接的构件之间添加和多刚体模型相同的运动副约束和驱动约束；并按照实际抓管机起吊载荷在折臂末端加载垂直方向工作载荷，加载方法同多刚体模型，完成多柔体模型建立。
所述的步骤五，具体为：风压用ω表示。风压ω与风速v有关，根据流体力学中的伯努利方程计算得到风压ω：
式中：ω——单位面积上的风压，kN/m2；ρ——空气密度，t/m3；γ——空气单位体积重力，kN/m3；g——重力加速度，m/s2；v——风速，m/s；
根据工作风速，代入上式可以求得风压。在多刚体和多柔体的主要受风载构件上，通过风压和构件迎风面积的乘积计算出该构件的总受风载荷，再在构件上均布建立多个标记MARKER点，在每个MARKER点上按照风载方向，等效加载均分载荷，以等效该构件所受总风载。
本发明对深水半潜式钻井平台在风浪作用下抓管机工作时的动态特性进行仿真，可以提高分析、计算精度，为抓管机的设计、优化提供技术支撑。
附图说明
图1本发明一种深水半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法流程示意图。
图2抓管机机构运动简图。
图3抓管机装配三维图。
图4具有6个自由度的海洋平台。
图5模拟风浪作用下平台的约束与驱动，图5a为主视图；图5b为左视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的一种深水半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法，包括以下步骤：
步骤一：在三维设计软件建立三维实体模型，如图2所示为钻井平台管子处理装备抓管机机构运动简图，主要包括立柱1-1、旋转支架1-2、主臂1-3、折臂1-4、伸缩杆、主臂液缸筒1-5、主臂液缸杆1-6、折臂液缸筒1-7、折臂液缸杆8构件。在三维设计软件中(如Pro/E，Solid Edge等)按实际结构绘制三维实体提高仿真精度。如图3所示，为所建立抓管机仿真装配三维图。
步骤二：将三维实体模型导入到ADAMS软件中，设置好量纲，调整模型的位置，角度，给各个构件设置名称、材料参数，外观颜色；建立能够模拟半潜式钻井平台在海浪作用下产生运动的模拟平台，如图4所示在惯性坐标系中，在风浪影响下，深水半潜式钻井平台能发生的运动包括绕x，y，z三个坐标轴的横摇、首摇、纵摇的转动自由度和沿x，y，z三个坐标轴纵荡、垂荡、横荡的平移自由度，以及几种运动的组合。如图5所示，并结合图3，为了模拟这几种运动，分别在平台底部建立运动构件与运动副，用于模拟在海浪影响下平台的响应，由于首摇运动较小，影响很少，不做此运动模拟，方法如下：
在纵摇基座1和横摇构件2之间建立了纵摇转动副13,并且在该转动副上建立转动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的横摇。
在横摇构件2和垂荡构件3之间建立了横摇转动副14,并且在该转动副上建立转动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的纵摇。
在垂荡构件3和纵荡横荡构件4之间建立了垂荡移动副10，并且在该上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的垂荡运动。
在纵荡横荡构件4和固定基座5之间建立了纵荡移动副8，并且在该移动上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的纵荡运动。
同时在纵荡横荡构件4和固定基座5之间建立了横荡移动副15，并且在该移动副上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的横荡运动。
同时在以上构件之间分别建立了固定副a 6，固定副b 7，固定副c 9，固定副d 11，固定副e 12，当不需要考虑海浪影响时，设定以上固定副处于激活状态，以上的其余运动副和驱动全部设定失效。当需要模拟其中一种或几种工况时，先将相对应构件之间的固定副设定失效，然后将对应的运动副和驱动激活使其处于激活状态，便分别可以模拟在海浪作用下平台的横摇，纵摇，垂荡，纵荡，横荡几种工况中的一种或根据实际情况下几种工况的叠加。
步骤三：在ADAMS软件中建立多刚体动力学仿真模型，添加相邻构件之间的运动副约束和驱动约束。根据实际驱动类型、位置需求，在相应的运动副上添加驱动约束，并根据实际工作参数设置各驱动约束的运动函数；结合图2，图3具体方法如下：
在抓管机中添加运动副如下：在立柱与旋转支架间、旋转支架与主臂间、主臂与折臂间、旋转支架与主臂液缸筒间、主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间、折臂与折臂液缸杆间分别添加转动副；在主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间分别添加移动副。
在抓管机中添加驱动约束如下：在立柱与旋转支架间的转动副上添加转动驱动，并按实际工况设置角位移驱动函数；在主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间的移动副上分别添加位移驱动，并按实际工况设置位移驱动函数。
在构件关键位置建立局部坐标MARKER，根据实际工况在相应的构件的MARKER点上添加载荷类型，设置载荷的方向，载荷函数；
对于所要分析构件的MARKER点添加测量函数，以在仿真过程中测量该点的运动参数(位移、速度、加速度等)，或力学参数(力、力矩)，完成多刚体仿真模型的建立，作为多柔体模型建立的基础。
步骤四：在ADAMS软件中建立多柔体动力学仿真模型，步骤如下：
1)分别将多刚体模型里面的构件生成MNF模态文件；
对于以上机构中需要转化为柔体的构件，分别在三维实体建模软件中将该构件的三维实体模型另存为SAT等格式；
将以上文件导入到有限元分析软件(如ANSYS)，调整好模型比例，设置材料弹性模量、密度、网格划分类型；
进行有限元网格划分，划分完成好后将网格划分后的模型转化为MNF格式文件(模态文件)。
2)在ADAMS中导入MNF文件，将该柔体构件调整方向、位置，与需要替换的刚体构件完全重合，将原刚体构件实效，在柔体构件与其相连接的构件处建立无质量的虚构件，并与柔体构件固定，在该虚拟构件与相连接的构件之间添加和多刚体模型相同的运动副约束和驱动约束。并按照实际抓管机起吊载荷在折臂末端加载垂直方向工作载荷，加载方法同多刚体模型，完成多柔体模型建立。
步骤五：风载荷的加载：
进行风载荷的计算，可根据我国建筑结构荷载规范。当风以一定的速度向前运动遇到阻碍时，将对阻碍物产生压力，即为风压，对工程结构设计计算来说，风力作用的大小最好直接以风压来表示。风速越大，风压力也越大。风压用ω表示。风压ω与风速v有关，根据流体力学中的伯努利方程计算得到风压ω：
式中：ω——单位面积上的风压，kN/m2；ρ——空气密度，t/m3；γ——空气单位体积重力，kN/m3；g——重力加速度，m/s2；v——风速，m/s。
根据工作风速，代入上式可以求得风压。在多刚体和多柔体的主要受风载构件上，通过风压和构件迎风面积的乘积计算出该构件的总受风载荷，再在构件上均布建立多个标记MARKER点，在每个MARKER点上按照风载方向，等效加载均分载荷，以等效该构件所受总风载。
在进行多刚体动力学仿真时将多刚体模型全部激活，并将多柔体模型失效；在进行多柔体动力学仿真时将多柔体模型全部激活，并将多刚体模型失效。
步骤六：进行多刚体、柔体动力学仿真并获取相应的输出数据与曲线，通过ADAMS后处理模块，获取相应的输出数据与曲线。为方便对比多刚体与多柔体仿真模型，在多柔体模型动力学仿真之后，将各柔体构件进行失效，恢复原来位置的刚体构件，对多刚体构件进行仿真，进行多柔体和多刚体模型仿真的分析比较。
以上所述,描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (2)
1.半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在三维设计软件建立三维实体模型；
步骤二：将三维实体模型导入到ADAMS软件中；具体为：
将三维实体模型导入到ADAMS软件中，设置好量纲，调整模型的位置，角度，给各个构件设置名称、材料参数，外观颜色；建立能够模拟半潜式钻井平台在海浪作用下产生运动的模拟平台，在惯性坐标系中，在风浪影响下，深水半潜式钻井平台能发生的运动包括绕x，y，z三个坐标轴的横摇、首摇、纵摇的转动自由度和沿x，y，z三个坐标轴纵荡、垂荡、横荡的平移自由度，以及几种运动的组合；为了模拟这几种运动，分别在平台底部建立运动构件与运动副，用于模拟在海浪影响下平台的响应，由于首摇运动较小，影响很少，不做此运动模拟，方法如下：
在纵摇基座(1)和横摇构件(2)之间建立了纵摇转动副(13),并且在该转动副上建立转动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的横摇；
在横摇构件(2)和垂荡构件(3)之间建立了横摇转动副(14),并且在该转动副上建立转动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的纵摇；
在垂荡构件(3)和纵荡横荡构件(4)之间建立了垂荡移动副(10)，并且在该上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的垂荡运动；
在纵荡横荡构件(4)和固定基座(5)之间建立了纵荡移动副(8)，并且在该移动上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的纵荡运动；
同时在纵荡横荡构件(4)和固定基座(5)之间建立了横荡移动副(15)，并且在该移动副上建立移动驱动，设定运动函数，用于模拟在海浪作用下平台的横荡运动；
同时在以上构件之间分别建立了固定副a(6)，固定副b(7)，固定副c(9)，固定副d(11)，固定副e(12)，当不需要考虑海浪影响时，设定以上固定副处于激活状态，以上的其余运动副和驱动全部设定失效；当需要模拟其中一种或几种工况时，先将相对应构件之间的固定副设定失效，然后将对应的运动副和驱动激活使其处于激活状态，便分别可以模拟在海浪作用下平台的横摇，纵摇，垂荡，纵荡，横荡几种工况中的一种或根据实际情况下几种工况的叠加；
步骤三：在ADAMS软件中建立多刚体动力学仿真模型，添加相邻构件之间的运动副约束和驱动约束，根据实际驱动类型、位置需求，在相应的运动副上添加驱动约束，并根据实际工作参数设置各驱动约束的运动函数；
所述的步骤三中添加相邻构件之间的运动副约束和驱动约束，具体如下：
在抓管机中添加运动副如下：在立柱与旋转支架间、旋转支架与主臂间、主臂与折臂间、旋转支架与主臂液缸筒间、主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间、折臂与折臂液缸杆间分别添加转动副；在主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间分别添加移动副；
在抓管机中添加驱动约束如下：在立柱与旋转支架间的转动副上添加转动驱动，并按实际工况设置角位移驱动函数；在主臂与主臂液缸杆间、主臂与折臂液缸筒间的移动副上分别添加位移驱动，并按实际工况设置位移驱动函数；在构件关键位置建立局部坐标MARKER，根据实际工况在相应的构件的MARKER点上添加载荷类型，设置载荷的方向，载荷函数；
对于所要分析构件的MARKER点添加测量函数，以在仿真过程中测量该点的运动参数或力学参数，运动参数包括位移、速度、加速度，力学参数包括力、力矩，完成多刚体仿真模型的建立，作为多柔体模型建立的基础，建立的抓管机多刚体仿真模型；
步骤四：在ADAMS软件中建立多柔体动力学仿真模型；具体如下：
(1)分别将多刚体模型里面的构件生成MNF模态文件；
对于以上机构中需要转化为柔体的构件，分别在三维实体建模软件中将该构件的三维实体模型另存为SAT格式；
将以上文件导入到有限元分析软件，调整好模型比例，设置材料弹性模量、密度、网格划分类型；
进行有限元网格划分，划分完成好后将网格划分后的模型转化为MNF格式文件；
(2)在ADAMS中导入MNF文件，将该柔体构件调整方向、位置，与需要替换的刚体构件完全重合，将原刚体构件实效，在柔体构件与其相连接的构件处建立无质量的虚构件，并与柔体构件固定，在该虚拟构件与相连接的构件之间添加和多刚体模型相同的运动副约束和驱动约束；并按照实际抓管机起吊载荷在折臂末端加载垂直方向工作载荷，加载方法同多刚体模型，完成多柔体模型建立；
步骤五：风载荷加载；
步骤六：进行多刚体、柔体动力学仿真并获取相应的输出数据与曲线；通过ADAMS后处理模块，获取相应的输出数据与曲线，为对比多刚体与多柔体仿真模型，在多柔体模型动力学仿真之后，将各柔体构件进行失效，恢复原来位置的刚体构件，对多刚体构件进行仿真，进行多柔体和多刚体模型仿真的分析比较。
2.根据权利要求1所述的半潜式钻井平台管子处理装备抓管机多体动力学仿真方法，其特征在于，所述的步骤五具体为：
风压用ω表示；风压ω与风速v有关，根据流体力学中的伯努利方程计算得到风压ω：
式中：ω——单位面积上的风压，kN/m2；ρ——空气密度，t/m3；γ——空气单位体积重力，kN/m3；g——重力加速度，m/s2；v——风速，m/s；
根据工作风速，代入上式可以求得风压；在多刚体和多柔体的主要受风载构件上，通过风压和构件迎风面积的乘积计算出该构件的总受风载荷，再在构件上均布建立多个标记MARKER点，在每个MARKER点上按照风载方向，等效加载均分载荷，以等效该构件所受总风载。
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