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螺杆桩机钻杆动力学分析与动态设计研究

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第1章 绪论

1.1课题题目及其来源

1.2螺杆桩机钻杆装置简介

1.3课题研究的背景及意义

1.4国内外研究现状

1.5目前存在的问题

1.6本文的研究内容

第2章 钻杆装置纵向模态分析

2.1钻杆装置纵向振动概述

2.2钻杆装置纵向振动理论分析

2.3钻杆装置纵向振动模态分析过程

2.4纵向振动模态分析结果

2.5临界转速求解

2.6本章小结

第3章 钻杆装置横向模态分析

3.1钻杆装置横向振动概述

3.2钻杆装置横向振动理论分析

3.3基于ANSYS纵向振动模态分析过程

3.4横向振动模态分析结果

3.5临界转速求解

3.6本章小结

第4章 钻杆装置扭转模态分析

4.1钻杆装置扭转振动概述

4.2钻杆装置扭转振动理论分析

4.3基于ANSYS扭转振动模态分析过程

4.4扭转振动模态分析结果

4.5几何尺寸对钻杆装置三个方向上模态影响比较

4.6钻杆装置扭转振动临界转速

4.7本章小结

第5章 钻杆装置瞬态动力学分析与动态设计研究

5.1本章概述

5.2瞬态动力学概述

5.3基本假设

5.4瞬态动力学分析过程

5.5瞬态动力学结果分析

5.6钻杆装置动态设计研究

5.7本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2创新点

6.3研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文与参与科研项目

攻读硕士期间获奖情况

附录1

附录2

附录3

附录4

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摘要

新型螺杆桩机是由海南卓典高科技开发有限公司、武汉理工大学、武昌船舶重工有限责任公司联合设计开发的一款新型旋入式打桩机。相对于传统的打桩机,该桩机不需要取土而且与土壤结合更为牢靠,备受市场欢迎。
  新型螺杆桩机钻杆装置是该桩机钻井系统中十分重要的装置之一,在桩机施工的过程中,由于振动冲击的存在,使得钻杆装置常常出现磨损、断裂等失效,造成巨大的经济损失。
  由于钻杆装置在下钻过程中要受到钻压、自身重力、扭矩、振动等各类载荷的作用,其动力学行为十分复杂。对钻杆装置的动力学特性进行研究,对于提高钻井效率、降低钻井成本、避免钻井事故、保证钻杆装置安全可靠运行具有十分重要的意义。
  新型螺杆桩机钻杆装置相对于传统的石油钻杆、钻柱有两大特点:长度短,长度相对于钻杆直径的比例小;外部结构复杂,顶部是带花键的花键杆,底部是一根螺纹杆。传统的钻杆、钻柱模态分析多采用管单元,本文考虑到研究对象外形结构复杂的特点,在分析过程中采用实体单元,分析更为接近实际情况,突出了复杂结构对分析结果的影响,精度更高,更具说服力。
  本文以新型螺杆装机钻杆装置为研究对象,对其进行动力学分析与动态设计研究,主要完成的工作如下:
  (1)基于ANSYS软件的二次开发平台APDL(ANSYS Parametric Design Language)对钻杆装置进行参数化建模。
  (2)对钻杆装置进行模态分析,将钻杆装置工作过程中的振动分解为横向振动、纵向振动与扭转振动,并分析了钻杆几何尺寸(主要包括内壁厚度、螺纹杆长度、钻杆长度等)变化对模态的影响。
  (3)基于ANSYS软件对钻杆装置进行停机时间段的瞬态动力学分析,分析钻杆装置几何尺寸变化对振动的影响。
  (4)基于动力学分析的结论对钻杆装置进行动态设计,提出一款具有更好减振性能的钻杆装置。

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