技術(shù)特征：

1.一種垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法，其特征在于：這種垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法：

步驟一、懸掛管柱參數(shù)初始化：

利用懸掛管柱參數(shù)，根據(jù)管柱密度和管柱內(nèi)外液體的密度，求得管柱單位長(zhǎng)度的載荷q為：

$q=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_o^2-D_i^2){\mathrm{\ρ}}_{s}g+\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_i^2{\mathrm{\ρ}}_{i}g-\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_I^2-D_o^2){\mathrm{\ρ}}_{o}g;---\left(1\right)$

將管柱長(zhǎng)度無(wú)量綱化，可得管柱無(wú)量綱總長(zhǎng)度ξ_L為：

${\mathrm{\ξ}}_L=\frac{L}{\sqrt[3]{EI/q}};---\left(2\right)$

所述懸掛管柱參數(shù)包括管柱幾何尺寸參數(shù)、管柱材料參數(shù)、流體物性參數(shù)和井筒內(nèi)徑D_I，幾何參數(shù)包括內(nèi)徑Di、外徑D_o和長(zhǎng)度L；、管柱材料參數(shù)包括柱彈性模量E和密度ρ_s；流體物性參數(shù)包括管柱內(nèi)液體密度ρ_i、管柱外環(huán)空液體密度ρ_o；

步驟二、建立懸掛管柱屈曲平衡方程：

利用所述懸掛管柱初始化參數(shù)，將管柱離散成空間梁?jiǎn)卧?，?duì)所有梁?jiǎn)卧M裝，得懸掛管柱幾何非線(xiàn)性分析的整體平衡方程為：

(K₀+K_σ(u))u＝F， (3)

式中：K₀為管柱的線(xiàn)彈性剛度矩陣；K_σ為管柱的幾何剛度矩陣，是節(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)；u管柱的節(jié)點(diǎn)位移向量，包含上下兩端施加的約束邊界條件；F為節(jié)點(diǎn)力向量，包含管柱上端懸掛拉力、管柱的單位長(zhǎng)度載荷和管柱下端軸向壓力；

上下兩端施加的約束邊界條件是以下幾類(lèi)邊界條件的其中之一：(1)上端鉸支，下端自由；(2)上端固支，下端自由；(3)上端自由，下端鉸支；(4)上端鉸支，下端鉸支；(5)上端固支，下端鉸支；(6)上端自由，下端固支；(7)上端鉸支，下端固支；(8)上端固支，下端固支，實(shí)現(xiàn)上下兩端不同約束邊界條件對(duì)垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的計(jì)算；

上端施加懸掛拉力，其值是任意正值，還包括懸掛拉力等于0；若管柱上端自由，懸掛拉力為0；管柱下端無(wú)論選取何種邊界條件，均約束軸向位移，管柱下端軸向壓力為約束反力；

管柱屈曲會(huì)與井筒接觸，綜合考慮幾何非線(xiàn)性和接觸非線(xiàn)性，懸掛管柱幾何非線(xiàn)性和接觸非線(xiàn)性靜力屈曲分析的總體平衡方程為：

(K₀+K_σ(u)+K_n(u))u＝F+F_n(u)； (4)

式中：K_n(u)為管柱的接觸剛度矩陣；F_n為管柱的接觸力向量，是節(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)；

步驟三、建立懸掛管柱螺旋屈曲分析方法：

利用動(dòng)力學(xué)方法，解決垂直井懸掛管柱螺旋屈曲分析問(wèn)題，懸掛管柱螺旋屈曲的動(dòng)力學(xué)基本運(yùn)動(dòng)方程為：

Mu″+Cu′+Ku＝F(t)； (5)

式中：M為管柱的質(zhì)量矩陣；C為管柱的阻尼矩陣；K為管柱的剛度矩陣，K＝K₀+K_σ(u)+K_n(u)；u′為節(jié)點(diǎn)速度向量；u″為節(jié)點(diǎn)加速度向量；F(t)為節(jié)點(diǎn)載荷向量，包含管柱上端懸掛拉力、管柱的單位長(zhǎng)度載荷、管柱下端軸向壓力和管柱的接觸力；t是計(jì)算時(shí)間；

步驟四、懸掛管柱螺旋屈曲求解：

對(duì)方程(5)進(jìn)行隱式求解計(jì)算；

步驟五、懸掛管柱螺旋屈曲計(jì)算結(jié)果后處理：

提取管柱各個(gè)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)方向的橫向位移，進(jìn)而求出管柱各節(jié)點(diǎn)的橫向變形位移和圓周角度；若管柱與井筒上下接觸點(diǎn)之間的螺旋角度不等于360°，則改變上端懸掛拉力，并改變阻尼比和時(shí)間增量，重復(fù)步驟四反復(fù)計(jì)算，直到螺旋角度為360°；

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，懸掛管柱管柱無(wú)量綱總長(zhǎng)度ξ_L分成4段，分別為受壓下段ξ_C1、受壓螺旋段ξ_C2、受壓上段ξ_C3和受拉段ξ_T，其中受壓段無(wú)量綱長(zhǎng)度為：

ξ_C＝ξ_C1+ξ_C2+ξ_C3， (10)

管柱無(wú)量綱總長(zhǎng)為：

ξ_L＝ξ_C+ξ_T； (11)

步驟六、懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷確定：

考慮實(shí)際懸掛管柱上下兩端的約束邊界條件以及懸掛受拉段管柱長(zhǎng)度對(duì)螺旋屈曲的影響，螺旋屈曲臨界載荷應(yīng)是受壓下段ξ_C1、受壓螺旋段ξ_C2和受壓上段ξ_C3的重量對(duì)下端軸向壓力的總和，而不是受壓螺旋段ξ_C2自身的重量對(duì)應(yīng)的下端軸向壓力因此，懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷為：

$F_{hel}={\mathrm{\ξ}}_C\sqrt[3]{{\mathrm{EIq}}^2};---\left(12\right)$

式中：ξ_C是懸掛管柱螺旋屈曲無(wú)量綱臨界載荷。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法，其特征在于：步驟四中對(duì)方程(5)進(jìn)行隱式求解計(jì)算包括：

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，空間梁?jiǎn)卧x用BEAM188單元，管柱與井筒的接觸分別選用CONTA176接觸單元與TARGE170目標(biāo)單元，對(duì)方程(5)進(jìn)行隱式求解計(jì)算：

a、阻尼比的選?。?/p>

方程(5)阻尼矩陣C中選取α阻尼，考慮管柱第1階固有頻率，α阻尼公式為：

式中：為管柱模態(tài)阻尼比，采用過(guò)阻尼，取阻尼比ω為管柱第1階固有頻率；

b、時(shí)間增量的選?。?/p>

直接積分法中計(jì)算時(shí)間增量的選取原則為：常規(guī)時(shí)間增量取1/40倍固有周期，最小時(shí)間增量取1/200倍固有周期，最大時(shí)間增量取1/10倍固有周期；

c、初始缺陷的選取和施加：

初始缺陷選取初始擾動(dòng)力，擾動(dòng)力的不同施加方式影響螺旋屈曲最終螺旋段的旋向，旋向有左螺旋或右螺旋；施加方式是以下幾種的其中之一：(1)只在管柱受壓段中點(diǎn)施加一個(gè)橫向擾動(dòng)力，簡(jiǎn)稱(chēng)為一個(gè)擾動(dòng)力；(2)在管柱受壓段中點(diǎn)施加一個(gè)橫向擾動(dòng)力，在上端施加一個(gè)擾動(dòng)扭矩，簡(jiǎn)稱(chēng)為兩個(gè)擾動(dòng)力；(3)在管柱受壓段的1/4、2/4和3/4處，分別施加互成90°的橫向擾動(dòng)力，簡(jiǎn)稱(chēng)為三個(gè)擾動(dòng)力；

施加擾動(dòng)力的大小均為單位載荷，擾動(dòng)力施加的時(shí)間歷程為：計(jì)算時(shí)間在管柱1/2倍固有周期之前，施加180°正弦波的擾動(dòng)力；計(jì)算時(shí)間在管柱1/2倍固有周期之后，施加擾動(dòng)力為0；

d、外載荷施加：

上端懸掛拉力施加的時(shí)間歷程為：(1)計(jì)算時(shí)間在管柱1/4倍固有周期之前，施加90°正弦波的懸掛拉力；(2)計(jì)算時(shí)間在管柱1/4倍固有周期之后，施加恒定的懸掛拉力；

管柱的單位長(zhǎng)度載荷通過(guò)重力加速度施加，其時(shí)間歷程為：(1)計(jì)算時(shí)間在管柱1/4倍固有周期之前，施加90°正弦波的重力加速度；(2)計(jì)算時(shí)間在管柱1/4倍固有周期之后，施加恒定的重力加速度；

e、計(jì)算總時(shí)間：

采用Newmark直接積分法，對(duì)(5)式的管柱動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行隱式有限元計(jì)算。計(jì)算總時(shí)間取10個(gè)管柱固有周期以上，使管柱各節(jié)點(diǎn)的位移趨于穩(wěn)定、管柱各節(jié)點(diǎn)速度和加速度趨于0，方程(5)退化成式(4)，實(shí)現(xiàn)用慢動(dòng)力分析法對(duì)管柱靜力屈曲的求解。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法，其特征在于：步驟一中的管柱為石油鉆采工程中的鉆柱、套管柱、測(cè)試管柱、抽油桿管柱、連續(xù)管之一，管柱規(guī)格尺寸及總長(zhǎng)度為任意值。