模态分析中的边界条件

talping

在石油钻井当中，钻柱的上端固定在转盘上并随转盘一起转动，下端的钻头破碎岩石从而钻头向下继续钻进，现想对该钻柱进行模态分析，请问上下两端的边界条件应该怎么设置？

其中：钻柱长度为几千米，而钻杆是直径为200mm左右而厚度为十多mm的管状体，钻柱的振动一般包括横向振动、纵向振动及扭转振动等。
           很多文献都把这几种振动分开讨论，但我认为这样太过理想化且偏离实际，我觉得应该整体考虑钻柱的振动，不知各位认为如何？另外就是怎么对钻杆施加约束，有的文献把上端六个自由度全约束了，而下面把x和y的平动约束住，其它自由度没有约束，不知这样对不对，总是理不通。请说一下您的想法，我们讨论一下，谢过~

[ 本帖最后由 talping 于 2009-6-2 00:05 编辑 ]

ttwwooblueyes

我猜测把几个方向的振动分开讨论是因为建模比较容易，尤其是建立解析模型时。 如要整体考虑钻柱的振动，可能需要建立3D模型。对于普通的钻头（刚性），可能出现几个方向耦合的振型，对您所提到的钻柱，也许横向弯曲会更加重要。对上端6个自由度全部约束，意味着把钻柱看成了一个悬臂梁（不考虑其本身的旋转），也就是说取了一个旋转坐标系来研究它。这一点在以后的动力学分析之后要当心。对于下端的钻穴机理不甚了解，无法评论。

talping

原帖由 ttwwooblueyes 于 2009-6-3 05:53 发表

                               
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我猜测把几个方向的振动分开讨论是因为建模比较容易，尤其是建立解析模型时。 如要整体考虑钻柱的振动，可能需要建立3D模型。对于普通的钻头（刚性），可能出现几个方向耦合的振型，对您所提到的钻柱，也许横向弯曲会 ...

说得很好，现有的很多文献正是因为考虑到力学模型过于复杂而分开讨论，就比如考虑横向振动时，略去纵向振动和扭转振动的影响，但这样显然太过理想化~~~
如果不分开考虑，不知怎样去加边界条件。如果上端把转动的自由度放开，而下端转动的自由度也没约束的话这样似乎没有考虑到扭转，而要横振、纵振动和扭振全考虑的话应该怎么去加边界条件哈~~~
其中：钻井时钻头旋转往下钻，岩石破碎，破碎的岩石与钻井液形成泥浆向上排出井口。也就是说钻头一直在旋转着往下运动。

ttwwooblueyes

我个人认为，综合考虑的难度在于不同方向振动耦合的处理。边界条件可以加在对应的自由度上。建议您在初期建模时合理简化，不要考虑过多的因素，以免把问题复杂化。抓住主要关心的振动（比如说扭振或者横向振动），考虑关键因素，就可以完成工作。在此基础上再发展模型，深入研究。

talping

谢谢，您说得很有道理，呵呵~~主要是这是老师的一个项目，他让我综合考虑，但现在大部分的文献都是分开讨论这几种振动的，分开讨论要考虑的情况很多，除了上面所说的三种振动，甚至还有沿井眼轴线的涡动等。有点束手无策，呵呵~~

sghwxfqtd

我个人认为钻杆的振动主要是扭转振动和纵向振动,横向有套管固定,不是很明显.钻杆振动很复杂,尤其是几千米的钻杆软得像面条一样,就更不好用理论分析了.另外,钻杆振动还与所钻的井的类型有关,如果是垂直井,振动与驴头的上下运动而引起的钻杆纵向振动有关,要是水平井,起主要作用的是扭转振动