鉆機(jī)井架的設(shè)計(jì)與計(jì)算PPT課件

1、1機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程系機(jī)電工程系許志倩許志倩2第四章第四章 鉆機(jī)井架的設(shè)計(jì)與計(jì)算鉆機(jī)井架的設(shè)計(jì)與計(jì)算 l鉆機(jī)井架的使用特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)類型，基本鉆機(jī)井架的使用特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)類型，基本參數(shù)；參數(shù)；l鉆機(jī)井架的載荷分析；鉆機(jī)井架的載荷分析；l鉆機(jī)井架的計(jì)算方法；鉆機(jī)井架的計(jì)算方法；l鉆機(jī)井架的靜力計(jì)算和整體穩(wěn)定計(jì)算。鉆機(jī)井架的靜力計(jì)算和整體穩(wěn)定計(jì)算。3l4.1 井架的類型與基本參數(shù)井架的類型與基本參數(shù)l4.2 井架載荷井架載荷l4.3 材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)l4.4 計(jì)算原理計(jì)算原理l4.5 井架總體穩(wěn)定的實(shí)用計(jì)算井架總體穩(wěn)定的實(shí)用計(jì)算第四章第四章 鉆機(jī)井架的設(shè)計(jì)與計(jì)算鉆機(jī)井架的設(shè)計(jì)與計(jì)

2、算 44.1 井架的類型與基本參數(shù)井架的類型與基本參數(shù) l（1）井架的作用與基本組成）井架的作用與基本組成l作用：作用：l 安放天車，懸掛游車、大鉤及專用安放天車，懸掛游車、大鉤及專用工具（如吊鉗等）。在鉆井過程中進(jìn)行起工具（如吊鉗等）。在鉆井過程中進(jìn)行起下鉆具操作、下套管。下鉆具操作、下套管。l 起下鉆過程中，用以存放立根，能起下鉆過程中，用以存放立根，能容納立根的總長度稱立根容量。容納立根的總長度稱立根容量。5井架組成：井架組成：l 井架井架主體主體，多為型材，多為型材組成的空間桁架結(jié)構(gòu)；組成的空間桁架結(jié)構(gòu)；l 天車臺(tái)天車臺(tái)，安置天車和，安置天車和天車架；天車架；l 人字架人字架，安裝、維

3、修，安裝、維修天車之用；天車之用；l 二層臺(tái)二層臺(tái)，包括井架工，包括井架工進(jìn)行起下操作的工作臺(tái)和進(jìn)行起下操作的工作臺(tái)和存靠立根的指梁；存靠立根的指梁；l 立管平臺(tái)立管平臺(tái)，裝拆水龍，裝拆水龍帶操作臺(tái)；帶操作臺(tái)；l 工作梯工作梯。6（2）基本參數(shù)）基本參數(shù)l 最大鉤載最大鉤載l與鉆機(jī)最大鉤載相同與鉆機(jī)最大鉤載相同。l條件：條件：a、正常風(fēng)載、正常風(fēng)載l b、死繩位置一定、死繩位置一定l c、無立根、無立根7l 高度高度l名義高度名義高度h 井架大腿底板表面到天車梁底面的井架大腿底板表面到天車梁底面的垂直高度。垂直高度。l有效高度有效高度h1 從鉆臺(tái)大梁頂面到天車梁底面的垂從鉆臺(tái)大梁頂面到天車梁底

4、面的垂直高度（工作中有效）。直高度（工作中有效）。8l 二層臺(tái)高度二層臺(tái)高度h hl鉆臺(tái)平面至二層臺(tái)底面的距離鉆臺(tái)平面至二層臺(tái)底面的距離有效高度有效高度l一般有三個(gè)位置可調(diào)。一般有三個(gè)位置可調(diào)。l 二層臺(tái)容量（立根盒中立根容量）二層臺(tái)容量（立根盒中立根容量）l如：如：5”鉆桿，鉆桿，5040米米l （28米立柱，米立柱，180柱）柱）l 井架負(fù)荷，井架頂載井架負(fù)荷，井架頂載q q頂頂l q頂頂qmax（有快繩和死繩）（有快繩和死繩）9（3）井架類型及選擇）井架類型及選擇l鉆井井架按整體結(jié)構(gòu)型式的主要特征可分為塔形井架、鉆井井架按整體結(jié)構(gòu)型式的主要特征可分為塔形井架、前開口井架、前開口井架、a形

5、井架、桅形井架、動(dòng)力井架五種類型。形井架、桅形井架、動(dòng)力井架五種類型。10 塔型井架塔型井架l早期陸地鉆機(jī)井架早期陸地鉆機(jī)井架l特點(diǎn)特點(diǎn) a、 井架本體是封閉的整體結(jié)構(gòu)，井架本體是封閉的整體結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性好，整體穩(wěn)定性好，承載能力大承載能力大。 b、 整個(gè)井架是由整個(gè)井架是由單個(gè)構(gòu)件用單個(gè)構(gòu)件用螺栓連接而成的可拆結(jié)構(gòu)螺栓連接而成的可拆結(jié)構(gòu)。l 井架尺寸可不受運(yùn)輸條件限井架尺寸可不受運(yùn)輸條件限制，允許井架內(nèi)部空間大，起制，允許井架內(nèi)部空間大，起下操作方便、安全。但單件拆下操作方便、安全。但單件拆裝工作量大，高空作業(yè)，不安裝工作量大，高空作業(yè)，不安全。全。11 k型井架型井架l前開口井架前開口井

6、架 （）形井架）形井架 陸地鉆機(jī)井架陸地鉆機(jī)井架l特點(diǎn)：特點(diǎn)： a、 井架做成前扇敞開、截井架做成前扇敞開、截面為面為型不封閉空間結(jié)構(gòu)。型不封閉空間結(jié)構(gòu)。 b、 整體井架本體分成整體井架本體分成45段，各段一般為焊接的整段，各段一般為焊接的整體結(jié)構(gòu)，段間采用錐銷定體結(jié)構(gòu)，段間采用錐銷定位和螺栓連接，地面或接位和螺栓連接，地面或接近地面近地面水平組裝，整體起水平組裝，整體起放，分段運(yùn)輸放，分段運(yùn)輸。1213 a型井架型井架l早期陸地鉆機(jī)井架早期陸地鉆機(jī)井架l特點(diǎn)：特點(diǎn)： a、大腿可以是空間桿件結(jié)構(gòu)，分成、大腿可以是空間桿件結(jié)構(gòu)，分成35段。大腿斷面依選用型材不同，一般段。大腿斷面依選用型材不同，

7、一般分為矩形和三角形。分為矩形和三角形。 b、兩大腿通過天車臺(tái)、二層臺(tái)及附加、兩大腿通過天車臺(tái)、二層臺(tái)及附加桿件連成桿件連成“a”字形。整個(gè)井架在地面字形。整個(gè)井架在地面或接近地面或接近地面水平組裝，整體起放，分段水平組裝，整體起放，分段運(yùn)輸運(yùn)輸。 a形井架的每根大腿都是封閉的整形井架的每根大腿都是封閉的整體結(jié)構(gòu)，承載能力和穩(wěn)定性較好。體結(jié)構(gòu)，承載能力和穩(wěn)定性較好。但因但因有兩腿，且腿間聯(lián)系較弱，致使井架整有兩腿，且腿間聯(lián)系較弱，致使井架整體穩(wěn)定性不理想。體穩(wěn)定性不理想。14 桅型井架桅型井架l輕型鉆機(jī)井架輕型鉆機(jī)井架l車裝鉆機(jī)，通井機(jī)，修井機(jī)車裝鉆機(jī)，通井機(jī)，修井機(jī)l桅形井架工作時(shí)向井口方向

8、傾斜，桅形井架工作時(shí)向井口方向傾斜，需利用繃?yán)K保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需利用繃?yán)K保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以充分發(fā)揮其承載能力，這是桅以充分發(fā)揮其承載能力，這是桅形井架整體結(jié)構(gòu)的重要特征。形井架整體結(jié)構(gòu)的重要特征。l桅形井架是單柱式井架，有整體桅形井架是單柱式井架，有整體式和伸縮式兩種。桅形井架一般式和伸縮式兩種。桅形井架一般是利用液缸或絞車整體起放，整是利用液缸或絞車整體起放，整體或分段運(yùn)輸。體或分段運(yùn)輸。l桅形井架結(jié)構(gòu)簡單、輕便、承載桅形井架結(jié)構(gòu)簡單、輕便、承載能力小。能力小。15 動(dòng)力井架動(dòng)力井架l用于海上鉆機(jī)用于海上鉆機(jī)164.2 井架載荷井架載荷 l（1） 基本載荷（每種井架都要承受的載荷）基本載

9、荷（每種井架都要承受的載荷） l 恒載恒載l 大鉤載荷大鉤載荷l 工作繩拉力工作繩拉力l 風(fēng)載風(fēng)載l 立根載荷立根載荷l（2）特殊載荷）特殊載荷 動(dòng)力載荷動(dòng)力載荷 海洋海洋l 安裝載荷安裝載荷 自起自起l 繃?yán)K載荷繃?yán)K載荷 桅架桅架l 地震載荷地震載荷 震區(qū)震區(qū)17（1）基本載荷）基本載荷l 恒載恒載l長期作用在井架上的不變載荷，包括井長期作用在井架上的不變載荷，包括井架本身的重量以及安放在其上面的各種架本身的重量以及安放在其上面的各種設(shè)備和工具，如天車、游動(dòng)系統(tǒng)和吊鉗設(shè)備和工具，如天車、游動(dòng)系統(tǒng)和吊鉗等。等。la、游動(dòng)系統(tǒng)等重量、游動(dòng)系統(tǒng)等重量l方向：垂直向下方向：垂直向下l作用點(diǎn)：平均加于

10、井架頂部四個(gè)節(jié)點(diǎn)上作用點(diǎn)：平均加于井架頂部四個(gè)節(jié)點(diǎn)上18b、井架自重、井架自重li、靜力計(jì)算、靜力計(jì)算l 井架垂直時(shí)，每層重量平均加于上井架垂直時(shí)，每層重量平均加于上部四個(gè)頂點(diǎn)（偏于安全）部四個(gè)頂點(diǎn)（偏于安全）l 起升計(jì)算時(shí)，每層重量平均加于八起升計(jì)算時(shí)，每層重量平均加于八個(gè)頂點(diǎn)。個(gè)頂點(diǎn)。lii、總體穩(wěn)定計(jì)算、總體穩(wěn)定計(jì)算l原則：穩(wěn)定等效原則：穩(wěn)定等效l兩端鉸支：自重量一半加于頂端兩端鉸支：自重量一半加于頂端l一端固定，一端自由：自重量一端固定，一端自由：自重量1/3加于加于頂端頂端19 大鉤載荷大鉤載荷l大大 ?。盒。?qmax（q柱柱）l方方 向：向： 垂直向下垂直向下l作用點(diǎn)：由天車位置

11、定，也可均分于作用點(diǎn)：由天車位置定，也可均分于頂節(jié)點(diǎn)頂節(jié)點(diǎn) l注意：注意：k形井架有時(shí)前后大腿截面尺形井架有時(shí)前后大腿截面尺寸不同造成載荷偏心，靜力計(jì)算不易寸不同造成載荷偏心，靜力計(jì)算不易均分，穩(wěn)定計(jì)算有初彎矩。均分，穩(wěn)定計(jì)算有初彎矩。20 工作繩拉力工作繩拉力 ，la、 ，死繩固定位置一般與快繩不，死繩固定位置一般與快繩不對(duì)稱，其合力的作用方向往往與井架本體的對(duì)稱，其合力的作用方向往往與井架本體的幾何軸線偏離一個(gè)角度，因而井架各大腿實(shí)幾何軸線偏離一個(gè)角度，因而井架各大腿實(shí)際受力不同。際受力不同。lb、一般作用線不垂直、一般作用線不垂直l簡化簡化計(jì)算中計(jì)算中 l方向垂直方向垂直p死pp死pma

12、xmax )(22zgqppp游死21 風(fēng)風(fēng) 載載l風(fēng)載特點(diǎn)：風(fēng)載特點(diǎn)：l隨地區(qū)，季節(jié)而異；隨地區(qū)，季節(jié)而異；l井架為空間桁架結(jié)構(gòu)有迎風(fēng)，擋風(fēng)等問題。井架為空間桁架結(jié)構(gòu)有迎風(fēng)，擋風(fēng)等問題。wfp風(fēng)p風(fēng)風(fēng)作用在井架上的風(fēng)載；作用在井架上的風(fēng)載；f 承風(fēng)面面積，指整個(gè)井架外廓面積在垂直與風(fēng)向的平承風(fēng)面面積，指整個(gè)井架外廓面積在垂直與風(fēng)向的平 面上的投影面積；面上的投影面積；w 作用于井架上的計(jì)算風(fēng)壓作用于井架上的計(jì)算風(fēng)壓22lkz風(fēng)壓高度變化系數(shù)；風(fēng)壓高度變化系數(shù)；lk風(fēng)載體型系數(shù)；風(fēng)載體型系數(shù)；l風(fēng)振系數(shù)；風(fēng)振系數(shù)；lw工工工作風(fēng)壓，工作風(fēng)壓， 井架工作狀態(tài)下承受的風(fēng)壓最大值；井架工作狀態(tài)下承受

13、的風(fēng)壓最大值；lw0基本風(fēng)壓，非工作狀態(tài)下的極限值。基本風(fēng)壓，非工作狀態(tài)下的極限值。oww)6 . 03 . 0(工kkwwz工23基本風(fēng)壓基本風(fēng)壓w0的計(jì)算的計(jì)算lw0氣溫氣溫15距地面距地面10m處風(fēng)的靜壓力值。處風(fēng)的靜壓力值。63. 12vwo24工作風(fēng)壓的修正工作風(fēng)壓的修正 l ， ， 的概念與選取的概念與選取l1） （風(fēng)壓高度變化系數(shù)）（風(fēng)壓高度變化系數(shù)）l標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 10米高度米高度 =1，l （一般取（一般取=1）zkkzkk 110 f10h1zk25l2） （風(fēng)載體型系數(shù)）（風(fēng)載體型系數(shù)）l 風(fēng)壓的大小與構(gòu)件形狀，空氣流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。風(fēng)壓的大小與構(gòu)件形狀，空氣流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。l 單

14、個(gè)構(gòu)件單個(gè)構(gòu)件l 單面桁架（風(fēng)向垂直平面）單面桁架（風(fēng)向垂直平面）ffk3 . 12 . 16 . 0111kkkk其它形狀構(gòu)件圓截面構(gòu)件12kk 擋風(fēng)系數(shù)擋風(fēng)系數(shù) 桁架各構(gòu)件的迎風(fēng)面積之和。桁架各構(gòu)件的迎風(fēng)面積之和。f平面桁架的外擴(kuò)面積平面桁架的外擴(kuò)面積if26l 空間桁架空間桁架l lm 風(fēng)壓削弱系數(shù)風(fēng)壓削弱系數(shù) )1 (2223mkmkkk27四面桁架，風(fēng)沿對(duì)角線四面桁架，風(fēng)沿對(duì)角線l 修正系數(shù)，修正系數(shù)，l 單肢弦桿單肢弦桿l 雙肢弦桿雙肢弦桿 33kk2 . 11 . 128l三面桁架，風(fēng)垂直于一邊三面桁架，風(fēng)垂直于一邊3 39 . 0kk 29l3） （風(fēng)振系數(shù)）（風(fēng)振系數(shù)）l風(fēng)的

15、脈動(dòng)引起結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)風(fēng)的脈動(dòng)引起結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)30小結(jié)：思路小結(jié)：思路 l 0w工ww風(fēng)p 31注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：la、簡化計(jì)算，分段、簡化計(jì)算，分段l 風(fēng)力作用中心處風(fēng)壓風(fēng)力作用中心處風(fēng)壓每層面積每層面積lb、風(fēng)向問題、風(fēng)向問題 l風(fēng)載和立根載荷的聯(lián)合作用風(fēng)載和立根載荷的聯(lián)合作用l找最危險(xiǎn)的截面和方向找最危險(xiǎn)的截面和方向lc、風(fēng)斜吹時(shí)、風(fēng)斜吹時(shí)l 風(fēng)載可按力的平行四面形原則分解風(fēng)載可按力的平行四面形原則分解32 立根載荷立根載荷l兩項(xiàng)：（兩項(xiàng)：（1）立根自重引起水平分力）立根自重引起水平分力 （2）風(fēng)載）風(fēng)載l注意：注意：l（1）l（2） n全部立根數(shù)；全部立根數(shù)； n擋風(fēng)立根數(shù)。擋風(fēng)立根數(shù)

16、。l（3）k=1.3，l（4）作用點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)處）作用點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)處1nn ll tan210cnlqplsinldnfle33l（2 2）特殊載荷：）特殊載荷：l 動(dòng)力載荷（海上井架）動(dòng)力載荷（海上井架）l 安裝載荷（整體起升井架）安裝載荷（整體起升井架）l 計(jì)算整個(gè)起升過程計(jì)算整個(gè)起升過程l 繃?yán)K載荷（桅架）繃?yán)K載荷（桅架）l 塔架等繃?yán)K為安全作用不計(jì)算塔架等繃?yán)K為安全作用不計(jì)算l 地震載荷（地震區(qū)域）地震載荷（地震區(qū)域）34（3）計(jì)算載荷的確定（載荷組合）計(jì)算載荷的確定（載荷組合） 35載荷組合載荷組合364.3 材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)l（1 1）材料：）材料：l普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)

17、鋼a3a3、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼16mn16mnlalal（國外輕便鉆井，修井機(jī)）（國外輕便鉆井，修井機(jī)）l選材要考慮選材要考慮 l受力性質(zhì)（受力狀態(tài)）受力性質(zhì)（受力狀態(tài)） 穩(wěn)定控制強(qiáng)度控制37（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)l結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容l 桿件桿件載面型式載面型式lh h型鋼（型鋼（w w型鋼）型鋼） 寬翼緣工字鋼寬翼緣工字鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)平面桁架結(jié)構(gòu)型式選擇桿件截面型式選擇38l 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則la嚴(yán)格控制長細(xì)比嚴(yán)格控制長細(xì)比 lb幾何穩(wěn)定結(jié)構(gòu)幾何穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 39（3）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)l節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是金屬結(jié)構(gòu)的特殊問題節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是金屬結(jié)構(gòu)的特殊問題l內(nèi)容：畫節(jié)

18、點(diǎn)圖內(nèi)容：畫節(jié)點(diǎn)圖l原則：重心交匯原則原則：重心交匯原則 焊接，焊縫計(jì)算節(jié)點(diǎn)扳機(jī)形狀尺寸確定桿件的相互位置404.4 計(jì)算原理計(jì)算原理 l基本原則：基本原則：l鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范l方法：方法： 許用應(yīng)力法許用應(yīng)力法l l 可靠性法可靠性法 41井架的設(shè)計(jì)程序和主要內(nèi)容井架的設(shè)計(jì)程序和主要內(nèi)容l設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)程序l主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l1、擬定基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案、擬定基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案l2、結(jié)構(gòu)計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算 l3、施工圖設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì) 連接計(jì)算連接計(jì)算全部圖紙施工圖設(shè)計(jì)部件圖，主要零件圖技術(shù)設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)圖初步設(shè)計(jì)倒穩(wěn)定性）計(jì)算總體穩(wěn)定性和傾（靜力計(jì)算）確定內(nèi)力及桿件尺寸（組成）確定計(jì)

19、算載荷（載荷（32142確定計(jì)算方案確定計(jì)算方案 l計(jì)算簡圖（或稱力學(xué)模型）達(dá)到兩個(gè)目的。計(jì)算簡圖（或稱力學(xué)模型）達(dá)到兩個(gè)目的。l 體現(xiàn)該井架的結(jié)構(gòu)特征和承載特征體現(xiàn)該井架的結(jié)構(gòu)特征和承載特征l 簡化計(jì)算簡化計(jì)算l擬定計(jì)算方案的基本原則擬定計(jì)算方案的基本原則l 計(jì)算精度計(jì)算精度滿足使用要求滿足使用要求l 計(jì)算工具計(jì)算工具成本成本43簡簡 化化l分析井架的結(jié)構(gòu)特征和承載特征分析井架的結(jié)構(gòu)特征和承載特征抓主要抓主要 略次要略次要l1 1）支座）支座定鉸，動(dòng)鉸或彈性支座定鉸，動(dòng)鉸或彈性支座l2 2）節(jié)點(diǎn)：）節(jié)點(diǎn)： 幾何不穩(wěn)結(jié)構(gòu)幾何不穩(wěn)結(jié)構(gòu)剛節(jié)點(diǎn)剛節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定計(jì)算穩(wěn)定計(jì)算 幾何穩(wěn)定結(jié)構(gòu)幾何穩(wěn)定結(jié)構(gòu)鉸接點(diǎn)（

20、桁架）鉸接點(diǎn)（桁架）靜力計(jì)算靜力計(jì)算l3 3）結(jié)構(gòu)：）結(jié)構(gòu)： （1 1）空間結(jié)構(gòu)）空間結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu) （2 2）組合結(jié)構(gòu)）組合結(jié)構(gòu)基本部分基本部分+ +附屬部分附屬部分 （3 3）穩(wěn)定計(jì)算：）穩(wěn)定計(jì)算：“桿桿”代替桁架代替桁架l4 4）載荷：集中力，分布力）載荷：集中力，分布力44根據(jù)要求及條件確定方案根據(jù)要求及條件確定方案l1 1）井架本身的特點(diǎn)及工作條件（海上與陸）井架本身的特點(diǎn)及工作條件（海上與陸上深淺井有無參考資料）上深淺井有無參考資料）l2 2）設(shè)計(jì)的不同階段）設(shè)計(jì)的不同階段l3 3）計(jì)算的性質(zhì)）計(jì)算的性質(zhì)l 整體穩(wěn)定整體穩(wěn)定 動(dòng)力計(jì)算動(dòng)力計(jì)算 粗略粗略l 靜力計(jì)算靜力計(jì)算 精

21、確精確l4 4）計(jì)算工具的先進(jìn)性）計(jì)算工具的先進(jìn)性45靜力計(jì)算的任務(wù)與分類靜力計(jì)算的任務(wù)與分類 l任務(wù)：根據(jù)計(jì)算載荷求所有的內(nèi)力及支座反力任務(wù)：根據(jù)計(jì)算載荷求所有的內(nèi)力及支座反力l分類：分類：電算位移法手算，電算力法手工計(jì)算定結(jié)構(gòu)）平面桁架法（適用于靜 圖解法截面法節(jié)點(diǎn)法46平面桁架法平面桁架法l基本原則：將空間桁架分解為平面桁架基本原則：將空間桁架分解為平面桁架l 適用條件：靜定結(jié)構(gòu)適用條件：靜定結(jié)構(gòu)l步步 驟：驟：l 載荷分解載荷分解將空間力分解到各扇桁將空間力分解到各扇桁架的平面上架的平面上l 桁架分解桁架分解將空間桁架拆成平面桁將空間桁架拆成平面桁架（連同此平面的力）架（連同此平面的力

22、）l 求解平面桁架的內(nèi)力求解平面桁架的內(nèi)力l 將各次求得的內(nèi)力疊加將各次求得的內(nèi)力疊加47力力 法法l多余連系多余連系l 超靜定結(jié)構(gòu)（桁架）超靜定結(jié)構(gòu)（桁架）l 多余連系多余連系 冗力冗力l l“多余多余”：從靜力平衡的觀點(diǎn)看為多余：從靜力平衡的觀點(diǎn)看為多余l(xiāng) 從工程設(shè)計(jì)的角度來看是必要從工程設(shè)計(jì)的角度來看是必要l 多余連系數(shù)多余連系數(shù)=超靜定次數(shù)超靜定次數(shù) 多余的桿件反力多余的支座反力48l力法原理力法原理 多余連系多余連系多余未知數(shù)多余未知數(shù)已知力已知力l 超靜定結(jié)構(gòu)超靜定結(jié)構(gòu) 靜定結(jié)構(gòu)靜定結(jié)構(gòu)l選定基本的靜定結(jié)構(gòu)（基本靜定基）選定基本的靜定結(jié)構(gòu)（基本靜定基）l注意兩點(diǎn)：注意兩點(diǎn)：l 去掉

23、多余連系后，去掉多余連系后，l 系統(tǒng)仍為幾何不變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仍為幾何不變結(jié)構(gòu)l 要考慮到計(jì)算的方便要考慮到計(jì)算的方便盡可能不去弦桿去交叉桿 ba49l超靜定結(jié)構(gòu)超靜定結(jié)構(gòu) 靜定結(jié)構(gòu)靜定結(jié)構(gòu)50l 給定變性條件，得到補(bǔ)充方程（材力）給定變性條件，得到補(bǔ)充方程（材力）l 正則方程（準(zhǔn)則方程）正則方程（準(zhǔn)則方程）l 斷桿（桿斷桿（桿4）l求求x1011111px61211iiiliefln611iiipilipeflnn1111px51l例：求圖示受力結(jié)構(gòu)的桿件內(nèi)力，假定例：求圖示受力結(jié)構(gòu)的桿件內(nèi)力，假定各桿截面積相同。各桿截面積相同。52l 確定超靜定次數(shù)確定超靜定次數(shù)l 選定基本靜定結(jié)構(gòu)選定基本靜定

24、結(jié)構(gòu)l 建立力法正則方程組建立力法正則方程組226113kxi0022221211212111ppxxxx0212122211211ppxx53l（4）求出各項(xiàng)系數(shù)及各項(xiàng)常數(shù)）求出各項(xiàng)系數(shù)及各項(xiàng)常數(shù)l（5）解正則方程組）解正則方程組l得：得：x1=-8.90，x2=3.94 （kn）l（6）疊加求各桿內(nèi)力）疊加求各桿內(nèi)力045.33785.11465. 1096.85645. 1310.102121xxxx54 l計(jì)算表格55矩陣分析法（有限元法）矩陣分析法（有限元法）l有限元分析方法的一般步驟有限元分析方法的一般步驟l 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-模型模型-離散離散-計(jì)算計(jì)算-分析分析l （建模）（建模）l

25、不同的計(jì)算條件決定了計(jì)算方法的不同不同的計(jì)算條件決定了計(jì)算方法的不同,如井架計(jì)算：如井架計(jì)算：l （空間剛架）（平面剛架）（空間剛架）（平面剛架）l傳統(tǒng)傳統(tǒng) 井架井架空間桁架空間桁架平面桁架平面桁架力分析力分析強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算 模型模型 分解分解 手算手算 安全系數(shù)法安全系數(shù)法l （力法，克馬圖法）（力法，克馬圖法） 許用應(yīng)力法許用應(yīng)力法l （空間桁架）（空間桁架）l有限元有限元 井架井架空間剛架空間剛架單元單元 力分析力分析強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算l 模型模型 離散離散 計(jì)算機(jī)計(jì)算計(jì)算機(jī)計(jì)算 可靠性方法可靠性方法56(1) 基本公式基本公式lk 剛度矩陣ld位移向量la外載荷向量 adk57l節(jié)點(diǎn)位

26、移節(jié)點(diǎn)位移l = 2j-1 2j 2k-1 2k tl節(jié)點(diǎn)載荷節(jié)點(diǎn)載荷l = 2j-1 2j 2k-1 2k t 58(2) 剛度矩陣剛度矩陣 l單元?jiǎng)偠染仃噯卧獎(jiǎng)偠染仃?222222200sincossinsincossincossincoscossincossincossinsincossincossincoscossincos leadnnaedbdbadvbdbkllttvt59總剛度矩陣總剛度矩陣l節(jié)點(diǎn)編號(hào)節(jié)點(diǎn)編號(hào)l單元編號(hào)單元編號(hào)l自由度編號(hào)自由度編號(hào)l擴(kuò)展擴(kuò)展 adk601232112321844843842841834833832831824823822244821243242

27、24181481381223481123323223114413414214113413313213122422312412322212221211221421311411321211221111100000000000000000000000000000000121110987654321121110987654321ffffkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk43214321444342413433323124232221141312111kkkkkkkkkkkkkkkkk65216521444342413433323124232

28、221141312112kkkkkkkkkkkkkkkkk121165121165444342413433323124232221141312118kkkkkkkkkkkkkkkkk61(3) 邊界條件邊界條件l位移邊界條件位移邊界條件l約束約束l力邊界條件力邊界條件l加載加載62(4) 平面桁架計(jì)算機(jī)平面桁架計(jì)算機(jī)程序程序 計(jì)算機(jī)程序符號(hào)說明計(jì)算機(jī)程序符號(hào)說明框圖及框圖及n-s圖的處理功能圖的處理功能（）敘述框（）敘述框 表示一般處理表示一般處理功能。功能。（）判斷框（）判斷框 表示在幾個(gè)可表示在幾個(gè)可以選擇的路徑中，判斷選取以選擇的路徑中，判斷選取某一路徑。某一路徑。（）循環(huán)框（）循環(huán)框

29、用以控制循環(huán)用以控制循環(huán)的初值、終值和步長。的初值、終值和步長。（）輸入輸出框（）輸入輸出框 表示信息表示信息的輸入和輸出。的輸入和輸出。（）標(biāo)志框（）標(biāo)志框 用以表示流程用以表示流程的開始、結(jié)束或暫停。的開始、結(jié)束或暫停。圖1-5 框圖符號(hào)說明63l 框圖中所用到的主要變量和數(shù)組說明框圖中所用到的主要變量和數(shù)組說明l m 桿件數(shù)，整型變量，輸入?yún)?shù)；l nj 節(jié)點(diǎn)數(shù)，整型變量，輸入?yún)?shù)；l nrj 受約束的節(jié)點(diǎn)數(shù)，整型變量，輸入?yún)?shù)；l e 彈性模量，實(shí)型變量，輸入?yún)?shù)；l nlj 受載荷的節(jié)點(diǎn)數(shù)，整型變量，輸入?yún)?shù)；l n 整個(gè)結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)，整型變量(n=2nj)；l x,y 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，

30、nj維實(shí)型數(shù)組，輸入?yún)?shù)；ljj,jk 桿件的，節(jié)點(diǎn)號(hào)，維整型數(shù)組，輸入?yún)?shù)；l ax 桿件截面積，維實(shí)型數(shù)組，輸入?yún)?shù)；l ijk 桿件兩端點(diǎn)的自由度編號(hào)，維整型數(shù)組；l rl 桿件長度，維實(shí)型數(shù)組；lcx,cy 桿件的方向余弦，維實(shí)型數(shù)組； 64l jf 節(jié)點(diǎn)的約束代碼，維整型數(shù)組，輸入?yún)?shù)；l a 節(jié)點(diǎn)載荷，維實(shí)型數(shù)組，輸入?yún)?shù)；l d 節(jié)點(diǎn)位移，維實(shí)型數(shù)組；l f 桿件內(nèi)力，維實(shí)型數(shù)組；l sm 桿件應(yīng)力，維實(shí)型數(shù)組；l ar 支座反力，維實(shí)型數(shù)組；l smd 單元?jiǎng)偠染仃嚕?4維實(shí)型數(shù)組；l s 總剛度矩陣，nn維實(shí)型數(shù)組。l 主程序框圖說明65平面桁架的計(jì)算 n-s 圖讀 m,nj

31、,nrj,nlj,en=2*nj寫 m,nj,nrj,nlj,e讀 x,y寫 x,y讀 jj,jk,axi=1 到 m xcl=x(jk(i)-x(jj(i) ; ycl=y(jk(i)-y(jj(i) rl(i)=sqr(xcl*xcl+ycl*ycl) cx(i)=xcl/rl(i) ; cy(i)=ycl/rl(i) 寫 jj,jk,ax,rl,cx,cyj=1 到 nrj讀 k,jf(2k-1),jf(2k)寫 k,jf(2k-1),jf(2k)i=1 到 m scm=e*ax(i)/rl(i) smd(1,1)=scm*cx(i)*cx(i) ; smd(1,2)=scm*cx(i)

32、*cy(i) smd(2,1)=smd(1,2) ; smd(2,2)=scm*cy(i)*cy(i)j=1 到 2 k=1 到 2 smd(j+2,k)=-smd(j,k) ; smd(j,k+2)=-smd(j,k) smd(j+2,k+2)=smd(j,k) ijk(1)=2*jj(i)-1 ; ijk(2)=ijk(1)+1 ijk(3)=2*jk(i)-1 ; ijk(4)=ijk(3)+1j=1 到 4 k=1 到 4s(ijk(k),ijk(j)=s(ijk(k),ijk(j)+smd(k,j)66j=1 到 ny jf(j)=1 /n s(j,j)=s(j,j)*1e8j=1

33、到 nlj讀 k,a(2k-1),a(2k)寫 k,a(2k-1),a(2k)調(diào)求解方程 sd=a 子程序,解出位移 di=1 到 m j=2*jj(i) ; k=2*jk(i) sm(i)=-e*(d(j-1)-d(k-1)*cx(i)+(d(j)-d(k)*cy(i)/rl(i) f(i)=sm(i)*ax(i)y jf(j-1)=1 /n ar(j-1)=ar(j-1)-f(i)*cx(i)y jf(k-1)=1 /n ar(k-1)=ar(k-1)+f(i)*cx(i)y jf(j)=1 /n ar(j)=ar(j)-f(i)*cy(i)y jf(k)=1 /n ar(k)=ar(k)

34、+f(i)*cy(i)k=1 到 ny jf(k)=1 /n ar(k)=ar(k)-a(k)寫 d,ar,f,sm67 g-j消元法解線性方程組子程序框圖及說明消元法解線性方程組子程序框圖及說明 g-j消元法基本思想，保留對(duì)角線上的元素，其余的為零。 方法即加減法解線性方程組。如220402224213yxyxyxyxyxgauss-jordan 消元法程序 n-s 圖i=1 到 nx（i）=b（i）i=1 到 nd1=a（i，i）j=1 到 nd2=a（j，i）/d1n j=i 或 d2=0 /yk=1 到 n a(j,k)=a(j,k)-d2*a(i,k) x(j)=x(j)-d2*x(

35、i)i=1 到 nx(i)=x(i)/a(i,i)68 平面桁架的計(jì)算平面桁架的計(jì)算 a、建立結(jié)構(gòu)座標(biāo)系 右手系 原點(diǎn)任定 軸方向平行于約束方向。b、 結(jié)構(gòu)編號(hào)節(jié)點(diǎn)編號(hào)-手工 原則上任意桿件編號(hào)-手工 原則上任意自由度編號(hào)-計(jì)算機(jī)c、 確定結(jié)構(gòu)參數(shù)桿件數(shù)（m） 節(jié)點(diǎn)數(shù)（nj）受約束節(jié)點(diǎn)數(shù)（nrj）受載荷節(jié)點(diǎn)數(shù)（nlj） 材料彈性模量（e）69d、 計(jì)算節(jié)點(diǎn)參數(shù)和桿件參數(shù)節(jié)點(diǎn)參數(shù)：節(jié)點(diǎn)座標(biāo)（x,y）桿件參數(shù)：桿件兩端點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)(jj,jk)桿件的截面面積(ax)e、 確定約束參數(shù) 在計(jì)算程序中以表示無約束，以表示有約束，對(duì)于每個(gè)有約束的節(jié)點(diǎn)要給出x方向和y方向的約束代碼。k，jf(2k-1)，j

36、f(2k)f、 確定結(jié)構(gòu)載荷參數(shù) 對(duì)于每一個(gè)有載荷的節(jié)點(diǎn)需要給出方向和方向的力k，a(2k-1)，a(2k)70 例題：求解圖1-6所示平面桁架系統(tǒng)的桿件內(nèi)力和支座反力，設(shè)其各桿的面積和彈性模量均相等（圖上單位：長度為米，力為千牛頓）。71 解：建立結(jié)構(gòu)座標(biāo)系確定結(jié)構(gòu)參數(shù)節(jié)點(diǎn)和桿件編號(hào)計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 桿件參數(shù) 約束參數(shù) 載荷參數(shù)填輸入數(shù)據(jù)表 表 1 輸入數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)參數(shù) 11 6 2 3 2.1e5 1 0.0 0.0 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 2 3.0 0.0 3 0.25 2.0 4 2.75 2.0 5 0.5 4.0 6 2.5 4.0 桿件參數(shù) 1 1 2 1.0e-3 2 1 3 1.0e-3 3

37、1 4 1.0e-3 4 2 3 1.0e-3 5 2 4 1.0e-3 6 3 4 1.0e-3 7 3 5 1.0e-3 8 3 6 1.0e-3 9 4 5 1.0e-3 10 4 6 1.0e-3 11 5 6 1.0e-3 約束參數(shù) 1 1 1 2 0 1 載荷參數(shù) 3 0.01 0.0 5 0.01 -0.05 6 0.0 -0.0572734.5 井架總體穩(wěn)定的實(shí)用計(jì)算井架總體穩(wěn)定的實(shí)用計(jì)算l（1）基本概念）基本概念l 失穩(wěn)與穩(wěn)定計(jì)算失穩(wěn)與穩(wěn)定計(jì)算l壓桿喪失其直線形狀的平衡而過渡為曲線形狀的壓桿喪失其直線形狀的平衡而過渡為曲線形狀的平衡現(xiàn)象稱為失穩(wěn)平衡現(xiàn)象稱為失穩(wěn) l臨界力臨界力 ：l臨界應(yīng)力臨界應(yīng)力 ：22)( lein2222)(elfeifnl742井架失穩(wěn)的主要形式與總體失穩(wěn)的概念井架失穩(wěn)的主要形式與總體失穩(wěn)的概念l井架失穩(wěn)（取空載時(shí)）傾倒失穩(wěn)彎曲失穩(wěn)橫向失穩(wěn)縱向失穩(wěn)（基本形式）總體失穩(wěn)（個(gè)別壓桿失穩(wěn)）局部失穩(wěn)彈性失穩(wěn)傾穩(wěn) 5 . 12 . 1mm 75l總體失穩(wěn)：井架的基本軸線或截面的基本形狀發(fā)生變化而喪失其工作能力的現(xiàn)象。l1 ）縱向失穩(wěn)l 井架