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双井抽油机机架结构应力分析与结构优化

作　者: 杨远
导　师: 署恒木
学　校: 中国石油大学
专　业: 力学
关键词: 双井抽油机机架有限元分析稳定性分析结构优化设计模态分析可靠性分析
分类号: TE933.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

抽油机机架是抽油机重要组成部分,它承受采油设备的全部重量并提供采油过程中采油设备的运动空间。机架的强度和刚度决定了它的稳定性和可靠性,同时必须具有节约钢材,减轻重量、降低工人劳动强度等特点。为此,有必要对机架进行静态分析、结构优化、结构稳定性分析以及结构可靠性分析。本文以胜利采油院的双井抽油机机架为研究对象,针对双井抽油机机架的力学特性、自振模态、结构优化、稳定性以及结构可靠性进行了深入的研究。应用有限元软件ANSYS对两种机架结构进行了静力分析,得到了相应的应力、应变云图,检验了机架的静刚度,并通过对比得到了最佳结构。利用有限元软件ANSYS完成了机架结构的模态分析,得到了机架的前6阶固有频率和振型,分析证明了这种结构在正常工作时不会与外界发生共振。利用弹性稳定理论分别校核了单根主撑,不考虑剪力以及考虑剪力情况下格构式组合梁的稳定性,结果表明机架结构不会发生局部失稳;利用有限元软件ANSYS,通过线性屈曲分析及非线性屈曲分析,计算结果表明,机架整体结构不会发生失稳。利用方案选择法和ANSYS结构优化模块完成对机架结构的优化设计,找到了最优结构并减轻了机架结构自重。研究了蒙特卡罗法和响应面法两种方法的基本原理,并利用有限元软件ANSYS在基于上述两种方法情况下,完成机架的可靠性分析,结果表明结构完全满足工程结构对可靠性的要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章引言  10-15
  1.1 问题的提出  10
  1.2 抽油机机架计算理论发展概况  10-14
    1.2.1 力学计算理论发展  10-11
    1.2.2 结构稳定性理论发展  11-12
    1.2.3 结构优化设计理论发展  12-13
    1.2.4 结构可靠性理论发展  13-14
  1.3 本文的主要工作内容  14-15
第二章双井抽油机机架的静力计算  15-34
  2.1 双井抽油机机架力学模型  15-16
  2.2 机架结构的静力分析有限元理论和方法  16-19
    2.2.1 空间梁的单元刚度矩阵  16-17
    2.2.2 单元刚度矩阵的坐标系转换  17-18
    2.2.3 结构整体刚度矩阵的建立  18
    2.2.4 有限元软件的选择  18-19
  2.3 机架的材料及单元特性  19-21
    2.3.1 单元几何特性  19
    2.3.2 机架的材料特性  19-20
    2.3.3 生成机架有限元模型  20-21
  2.4 机架结构的约束与加载  21-22
    2.4.1 重力  21
    2.4.2 机架所受最大工作荷载  21-22
    2.4.3 风载荷  22
  2.5 静力计算与结果分析  22-33
    2.5.1 机架结构Ⅰ静力计算与分析  22-28
    2.5.2 机架结构Ⅱ静力计算与分析  28-33
  2.6 结论  33-34
第三章双井抽油机机架模态分析  34-40
  3.1 模态的求解方法  34-35
  3.2 机架结构的模态分析  35-38
  3.3 结论  38-40
第四章双井抽油机机架稳定性分析  40-49
  4.1 稳定性理论分析  40-42
    4.1.1 线性屈曲分析理论  40-41
    4.1.2 非线性屈曲分析理论  41-42
  4.2 机架结构的局部稳定性分析  42-45
    4.2.1 机架单根主撑的稳定性计算  42
    4.2.2 在不考虑剪力情况下机架四根主撑组成组合梁的稳定性分析  42-43
    4.2.3 考虑剪力情况下机架四根主撑组成组合梁的稳定性分析  43-45
  4.3 机架结构的整体稳定性分析  45-47
    4.3.1 机架结构的线性屈曲分析  45-47
    4.3.2 机架结构非线性屈曲分析  47
  4.4 结论  47-49
第五章双井抽油机机架的结构优化设计  49-66
  5.1 应用方案选择法对机架结构进行优化  49-61
    5.1.1 模型1 结构和计算结果分析  49-51
    5.1.2 模型2 结构和计算结果分析  51-54
    5.1.3 模型3 结构和计算结果分析  54-56
    5.1.4 模型4 结构和计算结果分析  56-58
    5.1.5 模型5 结构和计算结果分析  58-61
  5.2 应用有限元软件ANSYS进行尺寸优化  61-65
    5.2.1 ANSYS优化设计的基本构成  61-62
    5.2.2 双井抽油机机架结构优化模型  62
    5.2.3 双井抽油机机架的优化方法  62-63
    5.2.4 双井抽油机机架结构优化及结果分析  63-65
  5.3 结论  65-66
第六章双井抽油机机架结构可靠性分析  66-75
  6.1 结构可靠性的相关概念  66-68
    6.1.1 蒙特卡罗方法模拟的基本原理  66-67
    6.1.2 响应面方法模拟的基本原理  67-68
  6.2 结构可靠度在ANSYS中的实现  68-69
  6.3 采用ANSYS软件PDS模块对机架结构进行可靠度分析  69-74
    6.3.1 采用蒙特卡罗法对机架结构进行可靠度分析  69-71
    6.3.2 采用响应面法对机架结构进行可靠度分析  71-74
  6.4 结论  74-75
第七章结论与展望  75-77
  7.1 结论  75-76
  7.2 展望  76-77
参考文献  77-79
致谢  79

双井抽油机机架结构应力分析与结构优化

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