本發(fā)明涉及工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說是涉及一種槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)的鉆塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式有幾種：(1)通過增大鉆塔設(shè)計時的安全系數(shù)來保證鉆塔結(jié)構(gòu)的安全可靠，這種方式會使鉆塔結(jié)構(gòu)笨重，成本較高。(2)通過運用計算機(jī)軟件對鉆塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這種方式也只是在其結(jié)構(gòu)薄弱部位加大其強(qiáng)度和剛度，不能從鉆塔的整體結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行協(xié)調(diào)，使其具備最優(yōu)化動態(tài)特性。(3)通過對所設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場實驗分析，不斷進(jìn)行優(yōu)化,這種方式設(shè)計周期長，成本高。在鉆探施工過程中，鉆塔的工況十分復(fù)雜。首先，整個鉆塔結(jié)構(gòu)都為鋼材，本身的質(zhì)量就較大，并且上面還安放有動力頭、提引器等裝置，隨著鉆進(jìn)深度的增加，鉆桿節(jié)數(shù)不斷增多，鉆塔承受的靜載荷會越來越大。而在起升末和制動時，鋼絲繩上也會承受較大的動載荷，動載荷的大小與制動時的操作密切相關(guān)，鋼絲繩上的載荷直接傳到了塔架上。另外，在一些特殊情況下，由于操作人員的失誤，會出現(xiàn)猛剎和猛提的現(xiàn)象，還有處理孔內(nèi)事故時的強(qiáng)力起拔、地層非均質(zhì)引起的鉆進(jìn)沖擊等，這些情況都會加大塔架的動載荷。因此，僅僅對鉆塔進(jìn)行靜強(qiáng)度設(shè)計是不能滿足施工使用要求的，對鉆塔進(jìn)行動態(tài)特性設(shè)計和校核是非常有必要的。模態(tài)分析是近代分析結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法,模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或?qū)嶒灧治鋈〉?。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。因此在鉆探領(lǐng)域，尤其對槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔很有必要找到影響槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性的幾個主要影響因素，找到槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的模態(tài)振型及模態(tài)頻率的變化特性，得到模態(tài)頻率與影響因素的量化關(guān)系，并建立一種槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)鉆塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計中存在的問題，而提供一種用于設(shè)計和分析槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性的分析方法，且本方法不需要通過復(fù)雜的計算就可以得出槽鋼及桅桿式鉆塔的模態(tài)頻率，及能夠清晰直觀的了解到模態(tài)頻率隨各影響因素的變化趨勢。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：提供一種槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法，按如下步驟操作：步驟一：運用模態(tài)實驗來驗證模態(tài)仿真分析方法的可靠性；⑴、以一個槽鋼結(jié)構(gòu)為試件進(jìn)行模態(tài)實驗，對其進(jìn)行實驗?zāi)B(tài)分析，進(jìn)一步對模態(tài)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到本次試驗結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率；⑵、運用三維建模軟件對該槽鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實體建模，然后導(dǎo)入到模態(tài)分析軟件中，附加對應(yīng)的材料屬性，設(shè)置與模態(tài)實驗相同的約束條件，然后進(jìn)行模態(tài)仿真分析，得到本次仿真結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率；⑶、對模態(tài)實驗和模態(tài)仿真兩種方法的結(jié)果進(jìn)行誤差分析，若兩種模態(tài)分析結(jié)果的誤差在10％以內(nèi)，則驗證模態(tài)實驗和模態(tài)仿真的結(jié)果是正確可靠的；步驟二：選擇不同型號槽鋼進(jìn)行自由模態(tài)分析，通過數(shù)據(jù)分析，得到了各種型號槽鋼的模態(tài)振型隨槽鋼截面的寬高比改變的變化特性，及模態(tài)頻率與槽鋼截面的寬高比的函數(shù)關(guān)系式；①、從國標(biāo)所規(guī)定的5～40號槽鋼的型號中，均勻選取N種型號的槽鋼，運用三維建模軟件建立所選取的槽鋼的模型；長度都取為相同，分別對所選取的各個型號槽鋼進(jìn)行自由模態(tài)仿真分析，得到所述N種型號槽鋼的模態(tài)頻率和模態(tài)振型；②、取前5階模態(tài)參數(shù)，對N種型號槽鋼的振型進(jìn)行分析，將同一種模態(tài)振型所對應(yīng)的模態(tài)頻率和階次進(jìn)行歸類；③、對歸類后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對各種型號槽鋼的模態(tài)振型隨槽鋼截面的寬高比改變的變化特性進(jìn)行了歸納，得到了模態(tài)頻率與槽鋼截面的寬高比的函數(shù)關(guān)系式；步驟三：提出各種設(shè)計形式的桅桿式鉆塔的模態(tài)頻率的通用計算方法；ⅰ、桅桿式鉆塔的主體結(jié)構(gòu)由兩根同型號的槽鋼構(gòu)成，槽鋼型號和裝配距離決定了鉆塔結(jié)構(gòu)的尺寸，鉆塔的主體結(jié)構(gòu)采用不同的槽鋼型號和裝配距離進(jìn)行組合，得到多種結(jié)構(gòu)形式的桅桿式鉆塔；ⅱ、通過對所構(gòu)成的多種不同的槽鋼型號和裝配距離組合結(jié)構(gòu)形式的鉆塔進(jìn)行系列模態(tài)分析，得到各種形式鉆塔的各階模態(tài)頻率，其中以槽鋼截面寬高比為變量代替槽鋼型號，通過數(shù)據(jù)分析，得到了塔架結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率隨距離和槽鋼截面寬高比的函數(shù)關(guān)系。本發(fā)明步驟二中所述的模態(tài)振型形式隨槽鋼截面的寬高比改變的變化特性為：(1)、b/h≥2.264時，不會發(fā)生側(cè)彎振型；b/h＜2.264時，有側(cè)彎振型，發(fā)生在彎曲振型之后；(2)、b/h＜1.86時，彎曲二次振型比扭轉(zhuǎn)一次振型先發(fā)生；(3)、b/h＞2.54時，先發(fā)生扭轉(zhuǎn)振型，再發(fā)生彎曲振型；1.35＜b/h＜2.54時，先發(fā)生彎曲振型，再發(fā)生扭轉(zhuǎn)振型；b/h＝2.54時為過渡階段，第一二階為先彎曲振型再扭轉(zhuǎn)振型，大于第三階為先扭轉(zhuǎn)振型再彎曲振型。(4)、1.86＜b/h＜2.54之間，三階振型為組合振型；(5)、b/h越大，振型越來越復(fù)雜。本發(fā)明步驟二中所述的各種振型形式所對應(yīng)的模態(tài)頻率與槽鋼截面的寬高比的函數(shù)關(guān)系式為：彎曲一次振型形式的模態(tài)頻率與慣性矩的關(guān)系f(q)＝10.62ln(q)-93.221(1)彎曲兩次振型形式的模態(tài)頻率與慣性矩的關(guān)系f(q)＝25.48ln(q)-211.56(2)彎曲三次振型形式的模態(tài)頻率與慣性矩的關(guān)系f(q)＝34.875ln(q)-228.29(3)其中：公式(1)、(2)、(3)中的q為槽鋼截面繞Y軸慣性矩；扭轉(zhuǎn)一次振型形式的模態(tài)頻率與寬高比的關(guān)系f(x)＝-0.8409x3+20.371x2-116.35x+228.43(4)扭轉(zhuǎn)兩次振型形式的模態(tài)頻率與寬高比的關(guān)系：f(x)=51.124x2-227.62x+419.88x≤2.41421.728x3-190.04x2+540.96x-409.98x>2.414---(5)]]>其中：公式(4)、(5)中的x為槽鋼截面的寬高比。本發(fā)明步驟三中所述的得到塔架結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率與裝配距離和構(gòu)成鉆塔的槽鋼截面的寬高比的函數(shù)關(guān)系為：塔架結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)頻率隨裝配距離和寬高比的變化的函數(shù)關(guān)系式為f(x，y)＝-20.66+38.04x+0.01504y-10.87x2+5.783×10-4xy-1.033×10-4y2+1.199x3+4.307×10-4x2y-4.648×10-5xy2+2.887×10-7y3(6)塔架結(jié)構(gòu)的第二階模態(tài)頻率隨裝配距離和寬高比的變化的函數(shù)關(guān)系式為f(x，y)＝43.76+28.72x-0.4801y-11.83x2+0.04395xy+1.244×10-3y2+1.42x3+4.813×10-4x2y-4.24×10-5xy2-1.23×10-6y3(7)塔架結(jié)構(gòu)的第三階模態(tài)頻率隨裝配距離和寬高比的變化的函數(shù)關(guān)系式為f(x，y)＝-48.23+110.3x-0.1685y-39.87x2+0.07446xy+4.286×10-4y2+4.665x3-0.0105x2y-6.191×10-5xy2-7.667×10-7y3(8)同理第四階：f(x，y)＝-98.67+170.1x+0.1082y-63.88x2+0.01489xy-7.602×10-4y2-0.02134x2y+2.945×10-4xy2-2.436×10-7y3(9)第五階：f(x，y)＝42.91+9.849x+0.2669y-2.519x2-0.07193xy-1.067×10-3y2+0.874x3-0.01006x2y+1.745×10-4xy2+1.291*10-6y3(10)第六階：f(x，y)＝-256.1+271.9x+1.283y-65.64x2-0.7603xy-2.042×10-3y2+5.645x3+0.08x2y+5.673×10-4xy2+1.64×10-6y3(11)第七階：f(x，y)＝-98.84+171.6x-0.31y-42.06x2-0.1117xy+1.696×10-3y2+3.745x3+0.01941x2y+3.118×10-5xy2-2.223×10-6y3(12)其中：公式(6)～(12)中的x為構(gòu)成鉆塔的槽鋼截面的寬高比，y為裝配距離。本發(fā)明的槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：⑴.本發(fā)明的槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法可根據(jù)較少的參數(shù)就能精確確定所分析鉆塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和模態(tài)頻率，有效地避免了復(fù)雜的模態(tài)分析過程。運用本發(fā)明的方法可根據(jù)給定鉆進(jìn)工況下產(chǎn)生的各種激振頻率，通過選擇最合適型號槽鋼和桅桿式鉆塔的裝配尺寸，得到最優(yōu)的裝配方案，并且可計算出所設(shè)計最優(yōu)化桅桿式鉆塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，檢驗?zāi)B(tài)頻率可有效避開各種激振頻率。⑵.本發(fā)明的方法闡明了槽鋼及槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的模態(tài)參數(shù)的本質(zhì)特征，無需對桅桿式鉆塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場模態(tài)實驗和模態(tài)仿真分析，分析過程簡單，周期短，成本低，通用性強(qiáng)。⑶.運用本發(fā)明的方法能夠掌握所分析的槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的模態(tài)頻率的變化趨勢，通過改變槽鋼寬高比等相關(guān)參數(shù)使鉆塔模態(tài)頻率向符合工況條件的方向進(jìn)行調(diào)整，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。附圖說明圖1為本發(fā)明對槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔進(jìn)行槽鋼立臂模態(tài)仿真實驗的現(xiàn)場圖。圖2為本發(fā)明中鉆塔的槽鋼立臂的模態(tài)實驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。圖3依次為槽鋼扭轉(zhuǎn)一次、彎曲一次、扭轉(zhuǎn)兩次、彎曲兩次的模態(tài)振型形式表達(dá)圖。圖4為仿真分析時槽鋼所在坐標(biāo)系圖及槽鋼截面寬b、高h(yuǎn)示意圖。圖5為彎曲一次振型形式的模態(tài)頻率與槽鋼截面的慣性矩的關(guān)系圖。圖6為彎曲兩次振型形式的模態(tài)頻率與槽鋼截面繞Y軸的慣性矩的關(guān)系圖。圖7為彎曲三次振型形式的模態(tài)頻率與槽鋼截面繞Y軸的慣性矩的關(guān)系圖。圖8為扭轉(zhuǎn)一次振型形式的模態(tài)頻率與槽鋼截面的寬高比的關(guān)系圖。圖9為扭轉(zhuǎn)兩次振型形式的模態(tài)頻率與槽鋼截面的寬高比的關(guān)系圖。圖10為桅桿式鉆塔的主體結(jié)構(gòu)圖。圖11為桅桿式鉆塔主體結(jié)構(gòu)及鉆塔截面尺寸圖。圖12為塔架第一階模態(tài)頻率隨裝配距離和構(gòu)成鉆塔的槽鋼截面寬高比的曲面圖。圖13為塔架第二階模態(tài)頻率隨裝配距離和構(gòu)成鉆塔的槽鋼截面寬高比的曲面圖。圖14為塔架第三階模態(tài)頻率隨裝配距離和構(gòu)成鉆塔的槽鋼截面寬高比的曲面圖。上述圖中：1—槽鋼立臂；2—傳感器；3—彈性繩；4—型材支架；y—兩槽鋼裝配距離；A—槽鋼型號。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施不限于此。實施例1：本發(fā)明提供一種槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法，具體按如下步驟操作：步驟一：運用模態(tài)實驗來驗證模態(tài)仿真分析方法的可靠性；⑴、按照桅桿式鉆塔結(jié)構(gòu)，以鉆塔的一根槽鋼立臂1為試件，采用彈性繩懸掛的約束方式，運用錘擊法進(jìn)行自由模態(tài)實驗分析，實驗現(xiàn)場參見圖1，槽鋼立臂1通過彈性繩3懸掛在型材支架4中間，槽鋼立臂1上安裝有各種測量用的傳感器2，實驗結(jié)束后，通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以得到圖2的鉆塔槽鋼立臂的模態(tài)實驗數(shù)據(jù)，通過拾取圖中的峰值點，可得到槽鋼立臂1的各階模態(tài)頻率；⑵、運用三維建模軟件對上述鉆塔的槽鋼立臂進(jìn)行三維實體建模，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中，附加對應(yīng)的材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行自由模態(tài)仿真分析，同樣得到槽鋼立臂1的各階模態(tài)頻率；⑶、分別取模態(tài)仿真分析和模態(tài)實驗分析得到的前8階模態(tài)進(jìn)行誤差分析，得到兩種分析方法的誤差結(jié)果如表1所示。表1模態(tài)實驗與模態(tài)仿真分析結(jié)果比較階次第1階第2階第3階第4階第5階第6階第7階第8階模態(tài)仿真50.2765.194.4174.34210.68299.48328.23417.97模態(tài)實驗52.9366.7493.84181.25209.78297.31324.37423.17差值2.661.640.5566.9150.9042.1693.865.207百分比5.29％2.52％0.59％3.97％0.43％0.72％1.18％1.25％由表1可以得出，誤差百分比基本在5％以內(nèi)，相互印證了兩種模態(tài)分析方法的正確性和可靠性。步驟二：對不同型號槽鋼進(jìn)行自由模態(tài)分析，以槽鋼截面的寬高比為自變量，得到的模態(tài)振型及模態(tài)頻率的變化特性的函數(shù)關(guān)系；①、從國標(biāo)所規(guī)定的5～40號槽鋼型號中，均勻選取N種型號槽鋼，本實施例選取N＝9，即選9種型號槽鋼進(jìn)行分析，分別為5、8、12、16、20、24、28、32和36型號，長度都取為鉆塔的高度為2.6m。分別對所選取的各個型號槽鋼進(jìn)行自由模態(tài)分析。②、取其前8階模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，可以得到選取的9種型號槽鋼的前8階模態(tài)頻率和模態(tài)振型。對9種型號槽鋼的振型進(jìn)行分析，將同一種模態(tài)振型所對應(yīng)的模態(tài)頻率和階次進(jìn)行歸類，得到表2。振型形式的表達(dá)如圖3所示。從表2可知，同種振型的模態(tài)頻率變化是單調(diào)的，且彎曲變形為單調(diào)遞增，扭轉(zhuǎn)變形為單調(diào)遞減。表2同一種模態(tài)振型所對應(yīng)的模態(tài)頻率和階次歸納隨著階次的升高，復(fù)合變形越來越多。由于結(jié)構(gòu)的振型主要由其前幾階模態(tài)振型貢獻(xiàn)，因此本實施例主要描述槽鋼結(jié)構(gòu)的前5階模態(tài)振型。③、鉆塔所用槽鋼可視為細(xì)長桿，忽略其長度因素，因此，槽鋼的各階模態(tài)振型的變化與其截面幾何尺寸有密切聯(lián)系，而模態(tài)頻率與模態(tài)振型一一對應(yīng)。而槽鋼截面的慣性矩和寬高比是表征槽鋼截面尺寸的重要變量，如圖4所示。各個型號槽鋼截面的寬高比和慣性矩計算結(jié)果如表3所示。表3各種型號槽鋼的截面參數(shù)5號8號12號16號18號20號24號28號32號36號40號寬高比值1.351.862.2642.542.652.743.083.413.643.754.0慣性矩8.3E+41.7E+53.7E+57.3E+59.86E+51.3E+61.7E+62.2E+63.0E+64.5E+65.92E+6極慣性矩3.43E+51.18E+63.84E+79.4E+61.37E+71.91E+73.2E+75.0E+77.8E+81.23E+81.82E+8本發(fā)明中慣性矩是將坐標(biāo)系平移到截面重心后的計算結(jié)果，單位mm4；彎曲指繞Y軸，側(cè)彎繞Z軸，扭轉(zhuǎn)繞X軸。本發(fā)明以各型號槽鋼的寬高比為變量，通過對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，可得到如下特性(b/h為槽鋼截面寬高比)：(1)、b/h≥2.264時，不會發(fā)生側(cè)彎振型；b/h＜2.264時，有側(cè)彎振型，發(fā)生在彎曲振型之后；(2)、b/h＜1.86時，彎曲二次振型比扭轉(zhuǎn)一次振型先發(fā)生；(3)、b/h＞2.54時，先發(fā)生扭轉(zhuǎn)振型，再發(fā)生彎曲振型；1.35＜b/h＜2.54時，先發(fā)生彎曲振型，再發(fā)生扭轉(zhuǎn)振型；b/h＝2.54時為過渡階段，第一二階為先彎曲振型再扭轉(zhuǎn)振型，大于第三階為先扭轉(zhuǎn)振型再彎曲振型。(4)、1.86＜b/h＜2.54之間，三階振型為組合振型；(5)、b/h越大，振型越來越復(fù)雜。對于給定的任意一種型號的槽鋼，綜合上述所有結(jié)論就可推測出其前5階模態(tài)振型形式及各階次順序。結(jié)合表2的數(shù)據(jù)，運用數(shù)值分析軟件，本發(fā)明分別以槽鋼截面繞y軸慣性矩和槽鋼截面的寬高比為自變量，各種模態(tài)振型形式的模態(tài)頻率值作為因變量，彎曲振型對應(yīng)的頻率值采用慣性矩，運用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，扭轉(zhuǎn)振型對應(yīng)的頻率值采用寬高比，運用對數(shù)函數(shù)多項式進(jìn)行擬合，得出擬合曲線圖和函數(shù)關(guān)系式分別如下：彎曲一次振型形式的模態(tài)頻率與慣性矩的關(guān)系f(q)＝10.62ln(q)-93.221(1)上式對應(yīng)的擬合曲線圖如圖5所示。彎曲兩次振型形式的模態(tài)頻率與慣性矩的關(guān)系f(q)＝25.48ln(q)-211.56(2)上式對應(yīng)的擬合曲線圖如圖6所示。彎曲三次振型形式的模態(tài)頻率與慣性矩的關(guān)系f(q)＝34.875ln(q)-228.29(3)上式對應(yīng)的擬合曲線圖如圖7所示。其中：公式(1)、(2)、(3)中的q為槽鋼截面繞Y軸慣性矩；扭轉(zhuǎn)一次振型形式的模態(tài)頻率與寬高比的關(guān)系f(x)＝-0.8409x3+20.371x2-116.35x+228.43(4)上式對應(yīng)的擬合曲線圖如圖8所示。扭轉(zhuǎn)兩次振型形式的模態(tài)頻率與寬高比的關(guān)系：f(x)=51.124x2-227.62x+420x≤2.41421.728x3-190x2+541x-410x>2.414---(5)]]>上式對應(yīng)的擬合曲線圖如圖9所示。其中：公式(4)、(5)中的x為槽鋼截面的寬高比；因此，對于給定的任意型號槽鋼，首先根據(jù)其截面的寬高比，綜合運用步驟二中所述的5條模態(tài)振型隨槽鋼截面的寬高比改變的變化特性，可以得出給定槽鋼的前5階模態(tài)振型形式及順序，然后根據(jù)上述各種振型形式對應(yīng)的模態(tài)頻率計算式，結(jié)合槽鋼的截面尺寸，可計算出各振型對應(yīng)的模態(tài)頻率，由此便得出了給定槽鋼的前5階模態(tài)振型和前4～5階模態(tài)頻率。步驟三：提出各種設(shè)計形式的桅桿式鉆塔的模態(tài)頻率的通用計算方法；ⅰ、桅桿式鉆塔的主體結(jié)構(gòu)由兩根同型號的槽鋼構(gòu)成，如圖10所示，槽鋼型號A和裝配距離y決定了鉆塔結(jié)構(gòu)的尺寸，如圖11所示。本發(fā)明選取多組不同槽鋼型號A和不同裝配距離y，通過不同的組合，可以構(gòu)成多種不同結(jié)構(gòu)形式的桅桿式鉆塔；ⅱ、針對各種結(jié)構(gòu)形式的鉆塔做了模態(tài)仿真分析，通過對分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將槽鋼型號用對應(yīng)的槽鋼截面的寬高比代替。如表4所示為塔架結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)頻率隨裝配距離和槽鋼型號的變化。表4塔架結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)頻率隨兩槽鋼裝配距離y和槽鋼型號A的變化將表4中的數(shù)據(jù)點利用多項式擬合可得函數(shù)關(guān)系式為f(x，y)＝-20.66+38.04x+0.01504y-10.87x2+5.783×10-4xy-1.033×10-4y2+1.199x3+4.307×10-4x2y-4.648×10-5xy2+2.887×10-7y3(6)上式對應(yīng)的擬合曲面圖如圖12所示。塔架結(jié)構(gòu)的第二階模態(tài)頻率隨裝配距離和寬高比的變化的函數(shù)關(guān)系式為f(x，y)＝43.76+28.72x-0.4801y-11.83x2+0.04395xy+1.244×10-3y2+1.42x3+4.813×10-4x2y-4.24×10-5xy2-1.23×10-6y3(7)上式對應(yīng)的擬合曲面圖如圖13所示。塔架結(jié)構(gòu)的第三階模態(tài)頻率隨裝配距離和寬高比的變化的函數(shù)關(guān)系式為f(x，y)＝-48.23+110.3x-0.1685y-39.87x2+0.07446xy+4.286×10-4y2+4.665x3-0.0105x2y-6.191×10-5xy2-7.667×10-7y3(8)上式對應(yīng)的擬合曲面圖如圖14所示。同理第四階：f(x，y)＝-98.67+170.1x+0.1082y-63.88x2+0.01489xy-7.602×10-4y2-0.02134x2y+2.945×10-4xy2-2.436×10-7y3(9)第五階：f(x，y)＝42.91+9.849x+0.2669y-2.519x2-0.07193xy-1.067×10-3y2+0.874x3-0.01006x2y+1.745×10-4xy2+1.291*10-6y3(10)第六階：f(x，y)＝-256.1+271.9x+1.283y-65.64x2-0.7603xy-2.042×10-3y2+5.645x3+0.08x2y+5.673×10-4xy2+1.64×10-6y3(11)第七階：f(x，y)＝-98.84+171.6x-0.31y-42.06x2-0.1117xy+1.696×10-3y2+3.745x3+0.01941x2y+3.118×10-5xy2-2.223×10-6y3(12)其中：公式(6)～(12)中的x為構(gòu)成鉆塔的槽鋼截面的寬高比，y為裝配距離。實施例2：本發(fā)明一種槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法的運用實例。這是一種通過測量已有桅桿式鉆塔結(jié)構(gòu)的尺寸，計算該結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，從而分析該鉆塔所適用的工況條件。已有一根桅桿式鉆塔結(jié)構(gòu)的槽鋼立臂1，槽鋼立臂使用型號為20的槽鋼，槽鋼立臂長細(xì)比超過6比1，即可視為細(xì)長桿。已知其截面的寬高比為2.857，現(xiàn)在要確定該型號為20的槽鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率及模態(tài)振型。首先，根據(jù)步驟二中得到的槽鋼模態(tài)振型隨槽鋼截面寬高比的5條變化特性進(jìn)行分析：根據(jù)第一條特性，型號為20的槽鋼，槽鋼的模態(tài)振型不會發(fā)生側(cè)彎，根據(jù)第三條特性，槽鋼的模態(tài)振型先發(fā)生扭轉(zhuǎn)，再發(fā)生彎曲。因此，綜上所述可以得出槽鋼的前5階模態(tài)振型依次是扭轉(zhuǎn)一次、彎曲一次、扭轉(zhuǎn)兩次、彎曲兩次、扭轉(zhuǎn)三次。然后，根據(jù)步驟三中得到的槽鋼各振型對應(yīng)的模態(tài)頻率與槽鋼截面寬高比和慣性矩的函數(shù)關(guān)系式計算可得：扭轉(zhuǎn)一次：f(x)＝-0.8409x3+20.371x2-113.35x+228.43(4)，此時x＝2.857；計算可得振型為扭轉(zhuǎn)一次的模態(tài)頻率為42.68Hz；同理計算可得振型為扭轉(zhuǎn)兩次的模態(tài)頻率為91.05Hz。彎曲一次：f(q)＝10.62ln(q)-93.221，此時q＝1.58×106mm4；計算可得振型為彎曲一次的模態(tài)頻率為58.36Hz；同理，彎曲兩次振型的模態(tài)頻率為152.11Hz；彎曲三次的模態(tài)頻率為269.48Hz。綜合上述，可得下表：階次123456模態(tài)振型扭轉(zhuǎn)1次彎曲1次扭轉(zhuǎn)2次彎曲2次扭轉(zhuǎn)3次彎曲3次模態(tài)頻率42.6891.0558.36152.11略269.48其中，振型形式為扭轉(zhuǎn)3次的模態(tài)振型多為復(fù)合振型，不予考慮。實施例3：本發(fā)明的一種槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法的運用實例。這是已知槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的工況，設(shè)計新的槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔。已知槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的工況為：動力頭轉(zhuǎn)速3000r/min，激振頻率為50Hz，減速器輸出軸600r/min，激振頻率為10Hz，三牙鉆頭，激振頻率為30Hz，設(shè)計新的槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔。這時若初始參數(shù)選擇型號為16的槽鋼，截面寬高比為2.54，裝配距離為150mm，則根據(jù)步驟三得出的鉆塔各階模態(tài)頻率與槽鋼截面寬高比和裝配距離的函數(shù)關(guān)系式，可以計算出這種結(jié)構(gòu)形式的鉆塔的各階模態(tài)頻率，將其與工況條件中的激振頻率比較，如果頻率有重合或頻率比較接近，則需要進(jìn)一步調(diào)整裝配距離或改用其它型號槽鋼，然后進(jìn)一步計算。通過改變參數(shù)，可以找到一組參數(shù)，使計算出的各階模態(tài)頻率遠(yuǎn)離激振頻率值，從而獲得更優(yōu)化的槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔結(jié)構(gòu)。實施例4：為本發(fā)明的一種槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法的運用實例。這是對一種已有一臺槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔，調(diào)整優(yōu)化的工況條件?？梢酝ㄟ^測量槽鋼截面的寬高比和裝配距離，根據(jù)步驟三得出的鉆塔各階模態(tài)頻率與槽鋼截面寬高比和裝配距離的函數(shù)關(guān)系式，可以計算出此鉆塔的各階模態(tài)頻率，根據(jù)計算出的各階模態(tài)頻率，調(diào)整鉆機(jī)的工作參數(shù)，使得激振頻率遠(yuǎn)離鉆塔的各階模態(tài)頻率，避免施工過程中產(chǎn)生共振，從而使槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔得到優(yōu)化的工況條件。本發(fā)明的槽鋼結(jié)構(gòu)桅桿式鉆塔的動態(tài)特性分析方法適用于給出工況條件要求設(shè)計最優(yōu)化的桅桿式鉆塔及對鉆塔的設(shè)備選型，或根據(jù)現(xiàn)有的桅桿式鉆塔的結(jié)構(gòu)尺寸分析該設(shè)備適配的工況條件。當(dāng)前第1頁1 2 3