在油田钻探中,石油钻机井架是钻机起升设备的重要组成部分之一,起着安放天车,悬挂游车、大钩及专用工具,在钻井过程中完成起下钻、下套管等操作诸项作用。井架结构所承受的载荷除了自身恒载作为静载荷外,还要承受提放钻具的大钩载荷、风激励产生的风载荷以及钻机振动时产生的振动载荷等作用,这些载荷都是随着时间变化的动载荷,而现有的理论研究多偏重于运用静力的方法来完成,忽略了特殊情况下的纵向冲击和正常工作阶段受周期性持续载荷等时间载荷的作用。传统的静力分析方法显然不够准确、全面,所以只有以动载荷作为井架结构所承受的实际载荷来研究井架的动力特性,才能使井架设计与安全评定等理论更准确、更科学合理。 本文主要以前开口钻机井架为对象,根据弹性体理论和模型等效原则建立了用于动态特性分析的井架系统动力学模型,并根据井架结构特点和工作实际将其划分为特殊工作状态和正常工作状态两种工况,通过概率统计方法,以大钩载荷为统计变量获得井架竖向载荷概率模型,继而采用国内惯用的编谱原则,编制符合实际的瞬态冲击载荷历程和周期性试验用程序载荷谱,对钻机井架进行了瞬态动力学分析与动态响应计算,得到了井架在动载作用下的变形和应力变化,以及井架顶部、二层台和人字架等主要部位在不同方向的时间响应变化规律和振动特性。 模态分析作为结构动力特性研究的一种近代方法,逐渐成为现代工程领域动态分析与设计的核心,它所决定的结构固有频率和振型,正是结构承受动态载荷结构设计中的重要参数,故而成为其他诸如瞬态分析等动力学分析的起点。本文利用有限元方法完成了钻机井架的模态分析,获得前十阶固有频率和振型,并在此基础上进行响应谱分析,得到井架的频率响应特性。