基于ANSYS二次开发的抽油杆柱参数化有限元分析

摘要

有杆抽油是世界采油工程中一直占主导地位的机械采油方式，但在其采油过程中通常会发生抽油杆的断裂与脱扣事故。这不仅影响了油井的正常生产，同时也增加了作业费用，使得采油成本加大。因此，精确预测抽油杆柱在井下的动态行为、建立杆柱的动力学数学模型以提高抽油杆的使用率是目前亟待解决的难题。 本文采用ANSYS分析软件，并借助VB编程语言开发出友好、方便、易用的人机交互界面。对影响有杆抽油系统的主要部件——抽油杆的动态特性进行了计算机模拟，主要研究内容如下： 首先，对抽油杆柱进行受力分析，主要是对抽油杆柱所承受的动载荷的分析。在对杆柱受力状态分析的基础上，建立有杆抽油系统的波动方程并给出了解法详尽地有限元推导过程。 其次，根据抽油机光杆运动方程，按不同时间区段模拟多级抽油杆柱的循环运动过程，绘制其计算机模拟的位移、力、速度和伸长量—时间曲线，并将模拟得到的光杆悬点载荷与实测值进行了对比，得到了较好的吻合。模拟所得到力—时间曲线为降级杆剩余寿命的计算提供了依据。同时，位移、速度及伸长量曲线为确定合理的光杆形状、优化抽油机系统奠定基础。 最后，应用ANSYS分析软件中的二次开发语言APDL编写整个分析过程的命令流文件，并用VB编程语言开发人机交互界面，提高了分析效率。 本文建立的抽油杆柱瞬态有限元模型能够基本上描述抽油杆柱的实际运动和受力变形状态。通过对此模型的计算分析，为提高抽油杆柱的使用率、设计抽油机—杆—泵系统、完善井下计算机诊断技术提供了一条新的途径，具有一定的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2有杆抽油系统的发展状况与趋势

1.2.1抽油机方面的技术发展与进步

1.2.2抽油杆方面的技术发展与进步

1.2.3有杆抽油系统其它方面的技术发展与进步

1.3有限元原理及ANSYS简介

1.3.1有限元原理

1.3.2 ANSYS软件简介

1.3.3 ANSYS二次开发的发展状况

1.4本课题的主要研究内容及方法

1.4.1主要研究内容

1.4.2本课题解决的关键问题

1.4.3研究方法

第2章有杆抽油系统行为预测

2.1概述

2.2抽油杆所受载荷分析

2.3有杆抽油系统的预测模型

2.3.1无重力、阻尼的单级杆的波动

2.3.2有重力、阻尼的多级杆的一维波动

2.4用有限单元法解波动方程

2.4.1基本方程及初始边界条件

2.4.2有限元表达

2.4.3单元矩阵及系统矩阵的形成

2.4.4微分方程的解

2.5本章小结

第3章抽油杆柱动态特性模拟与剩余寿命计算

3.1概述

3.2井下基本工况和基本假设

3.3构造抽油杆柱有限元模型

3.4确定井下运动质量，阻尼参数和运动方程

3.5确定时间区间及边界条件

3.5.1第一时间区的边界条件和受力情况

3.5.2第二时间区的边界条件和受力情况

3.5.3第三时间区的边界条件和受力情况

3.5.4第四时间区的边界条件和受力情况

3.5.5第五时间区的边界条件和受力情况

3.6模拟结果分析

3.7剩余寿命计算

3.8本章小结

第4章参数化模块开发

4.1参数化设计语言(APDL)

4.1.1什么是APDL

4.1.2 APDL的特点

4.1.3如何生成APDL文件

4.1.4参数化变量的使用

4.1.5流程控制

4.1.6 APDL宏

4.1.7访问ANSYS数据库数据

4.2参数化分析模块的实现

4.2.1参数化分析流程

4.2.2模板分析过程的建立

4.2.3 log文件的编辑

4.3本章小结

第5章界面设计

5.1操作界面分析

5.2 VB环境下的界面设计

5.2.1 Visual Basic编程简介

5.2.2应用VB编辑界面

5.3 VB调用ANSYS过程

5.3.1接口程序

5.3.2数据传输

5.4界面说明

5.5本章小结

第6章结论

参考文献

致谢