虚拟样机技术在我国石油机械应用现状研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷第 8期 ●专题综 述 虚拟样机技术在我 国石油机械 应用现状研究 盛 拥 军 胜 利石 油管理局 摘要 虚拟样机技术以计算机技术为依托，综合 多学科技术为产 品全 生命周期 的设计和评估 提供技术支持。石油机械虚拟样机 系统可以对正在开发的石油机械产 品进行三维多体动力学建模 与虚拟环境下的特性分析，打破 了传统的设计方式，缩短 了设计 时间，节约了设计成本，使之 能 够快速响应市场要求，具有广 阔的应用前景。介绍 了虚拟样机技术的基本原理和发展概况 ，重点 研究其在国内石油机械设计领域的应用现状，详细分析 了虚拟样机技术的优势和不足 ，指 出了其 在石油机械领域 的发展方向。 关键词 石油机械 虚拟样机技术 建模 计算机仿真 0 引 言 虚拟样机 V i r t u a l P r o t o t y p i n g ，V P 技术又称 机械系统动态仿真技术 ，是 2 0世纪 8 0年代随着计 算机技术的发展而迅速发展起来 的一项计算机辅助 工程设计技术 。作为一项新型工程技术，虚拟样机 日益显示出强大的生命力 ，正越来越多地应用于机 械 、电子 、航空 和国防等领 域 。石油机械 产品 具有品种多、批量小 、资金密集 、技术含量高等特 点 ，设计在产品开发 中的地 位十分重要 ’ 。石油 工业的蓬勃发展 ，也对机械设计 和制造技术不断提 出了新 的要求 ，虚拟样机技术必将得 到进一 步应 用。笔者拟在此介绍虚拟样机技术的基本原理和发 展概况 ，重点研究其在国内石油机械设计领域的应 用现状 ，详细分析虚拟样机技术 的优势和不足 ，同 时指出其在石油机械领域的发展方向。 1 虚拟样机技术 1 ． 1 虚拟样机技术与传统设计技术 石油机械传统的设计与制造过程是 首先进行 方案论证和概念设计 C o n c e p t D e s i g n ，制 图、制 造物理样机，然后进行试验 ，根据试验结果 ，验证 和修改设计 ，再做物理样机 、试验⋯⋯周而复始地 进行 ，直到达到设计 目标。这样的设计方法设计周 期长，市场灵活性差 ，成本高。 虚拟样机技术直接利用 C A D系统提供的各零部 件的物理信息及其几何信息 ，建立模型，在计算机 上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟 装配 ，从而获得机械系统的虚拟样机 ，并利用仿真 软件设定各种虚拟环境 ，真实地对系统进行运动学 、 动力学 、强度分析 ，可以在计算机上方便地获得系 统特性 ，在设计初期便可以发现问题 叫 ，而且可 以进行直接修改缺陷，并可 以同时并行 多个方案 ， 比较优劣 ，对整个 系统进行不断改进，直至获得最 优设计方案后 ，再制造出物理样机。虚拟样机技术 贯穿在整个设计当中，不但可 以缩短开发周期 ，而 且设计质量和效率也得到了提高 j ，特别是涉及到 多个学科的整体设计方面具有更大的优势 J 。 1 ． 2 虚拟样机技术应用概况 虚拟样机技术 的核心理论是多体系统动力学 ， 它的研究对象是 由大量刚体和柔体相互关联耦合的 系统 ，由经典力学发展而来 。刚体动力学的核心内 容是 以牛顿． 欧拉方程为代表 的矢量力学方法或以 拉格朗 日方程为代表的分析力学方法。柔性多体系 统动力学的理论基础是分析力学 和连续介质力学 ， 与其紧密联系的学科包括数字计算方法及现代控制 理论等 。 虚拟样机技术的应用是石油机械学科所关心的 问题 。国外 的虚拟样机 技术 已走 向商业 化 J ，目 前 ，比较有影 响力 的软件有美 国机械动力学公司 Me c h a n i c a l D y n a m i c s I n c 1 的 A D A MS A u t o m a t i c D y n a m i c A n a l y s i s o f Me c h a n i c a l S y s t e m机械系统 自 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 8期 盛拥 军虚拟样机技术在我 国石 油机械应 用现 状研 究 一 7 5一 动动 力 学 分 析 软 件 ，德 国航 天 局 的 S I MP A C K， C A D S I 的 D A D S D y n a mi c A n a l y s i s a n d D e s i g n S y s t e m动力学分析和设计 系统软件。其 中美 国机械 动力学公司的 A D A MS占据 了市场的 7 0 ％以上 ，其 他 软 件 还 有F o l w 3 D、A N S Y S 、Wo r k i n g Mo d e l 、 I D E A S等 。目前，虚拟样机技术 已在我国得到了推 广与应用 ，主要在汽车、航空航天 、武器制造 、机 械工程等领域 ，但从我 国目前的情况来看 ，虚拟样 机技术的应用只是停 留在初步应用阶段 ，其他行业 应用还较少 ，主要在专业机构和高校应用 ，就其应 用领域 的广度和应用 的深度来说还需较大提高 。同 内的企业在虚拟样机技术的应用上 ，主要是集成现 成 的 国 外 软 件 ，如 P r o ／ E、A D A MS 、MA T L A B、 A N S Y S等 ，对 国外软件 的依赖性强 ，更 多 的单位 采用对市场上现有软件进行二次开发的方式 ，来满 足设计分析的需要。 2 虚拟样机 技术在石 油机械行业应用 现状 2 ． 1 我 国石 油机 械产 品 开发现 状 我 国石油机械制造业 随着石油T业 的发展 已经 形成了完备的制造体 系，产品涵盖勘探开发设备 、 油气输送钢管和炼化设备及仪表 3大类近 2 0 0个 品 种 。 “ 十五 ”期 间，石油机械 产品实现 了长足发 展 ，整体技术水平大幅度提升，形成了一批具有 自 主知识产权的核心技术 ，大大提升 了石油机械制造 企业 的核心竞争能力 ，同时为石油工业的发展起到 了重要的支撑作用 。 但是 ，与国外石油机械设计制造水平还有不小 的差距 ，其中产品开发水平的差距是重要因素 ，设 计观念 、 设计方法和分析手段落后 ，2 0世纪 8 O年代 才逐步摆脱手工制图的设计方法 ，目前计算机平面 制图正在蓬勃应用 ，正积极引入三维制图设计和计 算机软件 的分析方法。随着石油机械行业 的发展 ， 石油机械大多是由复杂的系统构成 ，石油机械优化 设计的对象已不是简单 的机械零部件 ，而是复杂 的 零部件 、整机直至系列产 品和组合产品 。。对产 品 的性能要求由单一性要求发展到多性能和全性能要 求 ，这将导致基于复杂系统多性能和全性能要求的 优化。传统的 C A D技术和动态仿真技术强调 的是部 件级的优化，它不能保证系统性 能的良好 ，因为系 统级的优化不是部件级优化的简单叠加 ，石油机械 在国内的整个机械设计提高到一个崭新的水平 ，必 须加强复杂系统建模策略与方法研究。 2 ． 2 虚拟样机技术在石油机械行业应用现状 石油机械正朝着 国际化 、模块化 、个性化 、机 电液一体化 、自动化和环保化的方向发展，石油机 械涉及到机械设 计 、液 压／ 气动技 术 、控 制技术 、 软件技术和材料技术等领域。石油机械产品往往同 时综合了多领域的系统 ，基于虚拟样机的设计技术 在设计 、分析以及多学科建模 、仿真等方面具有优 势 ，在钻井机 械、采 油机械 、井下 工具 、油 田用 泵 ，以及其他石油机械上得到了广泛 的应用。 2 ． 2 ． 1 虚 拟样 机技 术在 钻 井机械 上 的应 用研 究 虚拟样机 技术在 国内钻 井机 械 上开 发应 用 主要 在顶部 驱 动钻 井 系 统、修井 机 、井 架 等设 备 上。 2 0 0 4年，中国石油大学 华东机 电工程学院、江 汉石油机械厂、华中科技大学同家 C A D支撑软件工 程技术研究 中心等单位 卜 就进行了顶部驱动钻井 装置虚拟样机原型系统的开发和总体设计。 顶驱虚拟样机 T D SV P S分为顶驱造型设计系 统和顶驱虚拟仿真系统 2个功能系统。顶驱虚拟样 机 的功能模型如 图 1所示 。顶驱造型设计系统主要 有顶驱三维造型设计系统和顶驱模 型模块库 ， 旨在提高设计速度 ，为用户提供一个便捷的设计环 境 。顶驱_一维模块设 计子 系统利用 P r o ／ E进 行建 模 ，生成新的零件文档。顶驱 T D SV P S虚拟仿真 系统以 AD A MS为运动学和动力学仿真平台 ，利用 P r o ／ E软件与动力学仿 真分析软件 A D A MS间的无 缝连接接 口，将前述 的三维实体模 型导人 到 A D ． A MS仿真环境 中进行 仿真分析。正是 在虚拟样机 设计的基础上 ，顶 部驱动装置产 品开发获得 了成 功 ，如今已在各油 田得到 了大量应用。 S QL l 数据库l 曩 计 系 统 顶 驱 动 力 学 分 析 系 统 换 杆 系 统 动 态 性 能 仿 真 虚 拟 仿真 系统 ⋯⋯ 关键 零 部 件 应 力、 变形 及场 耦合 问题 仿真 顶 驱 接 | 卸 立 根 仿 真 OR AC L E数据库 图 1顶驱虚 拟样 机 T D SV P S系统总体结构 姜士湖 对在建立 6 5 0修井机主要部件的三维 运动学方程和求解算法 的基础上，利用虚拟样机技 术建立了 6 5 0修井机的j维动力学模型并进行虚拟 一 7 6一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 8期 装配。对修井机变矩器输出轴角速度和大钩速度变 化规律做了仿真模拟，将仿真模拟结果与数值计算 结果进行对 比分析 ，分析结果表 明虚拟样机仿真分 析结果准确可靠。王新杰等人 采用虚拟样机技术 对 J J 4 5 0 ／ 4 5一K形井架的安装起升过程进行了动力 学仿真分析，论述了绞车转速对起升过程的影响。 2 ． 2 ． 2虚拟样机技术在采油机械上的应用研究 近年来 ，虚拟样机技术在常规游梁式抽油机 、 新型 平衡 式游 梁抽 油 机 、可 重 构游 梁式 抽 油机 等_ 1 进行了实体 3 D建模 研究 ，并对抽油机 的 冲程 、悬点 、减速器等部件的运动学 、动力学状况 进行了仿真分析。 对抽油机进行虚拟样机设计一般使用 P r o ／ E软 件构建模型，定义刚体 ，引入 A D A MS进行运动学 和动力学分析 ，或者使 用三维设计软件 S o l i d w o r k s 精确建立起抽油机的虚拟样机模型 ，将虚拟样机进 行适 当简化后 用与 S o l i d w o r k s 无缝衔接 的 C O S MO S Mo t i o n插件对抽油机进行了动态仿真，在无需转换 数据的情况下得到了与理论值相符的仿真结果 。基 于虚拟样机的抽油机分析使抽油机的结构参数、运 动参数得到了优化，在很大程度上解决了抽油机的 节能问题 ，并有效缩短了抽油机设计与优化的时间。 2 ． 2 ． 3 其 他 油田设备 上的应 用现状 基于虚拟样机的机械设计与分析技术在其他的 石油机械上也得到了不同程度的应用，主要是在井 下工具 、油 田用柱塞泵 、螺杆泵 、测井仪器，以及 其他一些部件上得到了应用 ，并取得 了较好的应用 效果 。 罗瑜林等 在测井仪器的虚拟样机设计 阶段 引人 C 0 S M0 S F l 0 w0 r k s计算 复杂腔体 内油液 的体 积 ，并以此为基础进行仪器的压力平衡设计 。基于 c 0 s M O s F lo w 0 r k s 的流体体积计算准确可靠，避免 了传统注油试验方式的弊端 ，缩短了测井仪器开发 周期 ，大大降低 了仪器的研发成本。邢家乐等 对新型 V S P机液复合式结构测井仪推靠机构运用 A D A MS软件对推靠机构进行动力学仿真分析，并 选择较为敏感 的部件尺寸作为设计变量建立数学模 型，用罚函数算法对其进行优化设计，并利用仿真 模型针对不同井径对推靠臂、支撑臂尺寸进行运动 调整，虚拟样机技术 的应用缩短 了产 品的设计 周 期 ，节省 了大量 成本。朱维 兵等 利 用 P r o ／ M e - c h a n i c a 软件的虚拟样机技术 ，建立 了双轴激振 自 同步振动筛的力学模型，并对其动力学特性进行了 分析，同时仿真分析 了各项参数对其振动 的影响， 对于合理选择振动筛的各项参数具有理论性的指导 意义。屈文涛等 基于多柔体动力学 ，对石油钻 机双十字轴式万向联轴器虚拟样机系统的中间轴进 行 了柔性化处理，建立了联轴器虚拟样机刚柔耦合 模型 ，进行了动力学分析计算及仿真 ，使其更接近 于实际工作状况 ，为十字环槽式双万向联轴器 的设 计制造和应用提供了必要的依据。 2 ． 3 虚拟样机技术的局限性与应用前景 虚拟样 机技术 是对计 算机技 术 、C A X 技术 、 数学方法等多学科技术的综合应用，设计者如想要 得心应手地应用虚拟样机技术就必须具有广泛的知 识面。目前 ，石油机械高级设计人才匮乏 ，产品的 复杂性 、各学科 的难度、知识的综合及设计者本身 知识 的不全面 ，给虚拟样机技术的应用带来了相当 大的难度，任何知识的欠缺，都将影响虚拟结果的 正确性 。虚拟样机技术有些技术方面还待成熟， 软件的精度也影响 了计算和分析精度 以及应用 效果 。虚拟样机技术 能够为产 品开发提供技术支 持 ，但不能完全取代物理样机，而是应与物理样机 相结合 ，虚拟样机的分析结果可以指导物理样机的 制造 ，物理样机的试验数据可以指导虚拟样机模型 的修改 ，两者相互结合可有效缩短开发周期 ，提高 开发效率 。 从全球石油工业发展趋势与我 国石油机械设计 制造技术水平来看，我国石油机械制造业面临前所 未有的挑战，我 国开发与设计的能力不强 ，仿造的 多 ，自主产权与创新少 ，缺乏核心竞争力产品，国 内石油机械行业要想提升技术水平 ，就必须引进吸 收国际先进的设计技术与分析测试手段 ，虚拟产品 开发技术的导人 ，给我国石油机械制造业提供了一 个契机 ，同时也带来了赶超国际先进水平的机遇。 3 结束语 虚拟样机技术作 为当今世 界上最先进 、最 流 行、最有发展前景的机械设计与分析技术 ，提高了 设计效率与质量 ，有效降低研发成本 ，缩短研发周 期 ，构建了用于科研 团队网络协同的可视化平 台， 必将在我国机械设计领域得到更深入的应用。随着 我国石油工业的不断发展 ，虚拟样机技术的广泛应 用将提高我国石油机械的设计与分析水平 ，进而实 现石油机械行业的跨越式发展。 参考文献 [ 1 ] 徐亚军，马晓东 ，王国法，等 ．虚拟样机技术在液 压支架 中的研究现 状与前 景 [ J ]．煤 矿机械， 2 0 1 0年第 3 8卷第 8期 盛拥军 虚拟样机技术在我 国石 油机械应 用现 状研 究 一 7 7一 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] 2 0 0 7，2 8 413 ． 姜 士湖 ，闫相祯 ，李 柏栋 ．虚拟样 机技 术在石 油机 械 中应用 的可行 性分析[ J ]．石油机械 ，2 0 0 4 ，3 2 4 2 63 2 ． Da i F， Fe l g e r W ， Go b e l M．Ap pl y i n g v i r t u a l r e a l i t y t o e l e c t r o ni c pr o t o t y pi n g c o nc e pt a nd f i r s t r e s u l t s v i r t u a l p r o t o t y p i ng v i rtu a l e n vi r o n me nt s a nd t he pr o d uc t d e s i g n p r o c e s s[ C ]． C h a p Ma n a n d H a l l P r e s s ，1 9 9 5 ． Ke r t t ul a M ，S a l me l a M ，He i kk i n e n M ． Vi rtua l r e a l i t y p r o t o t y p i n g a f r a me wo r k f o r t h e d e v e l o pme n t o f e l e c t r o n i c s a n d t e l e c o m mu n i c a t i o n s p r o d u c t s[ c ]． P r o c e e e d i n g s o f 8 t h I EEE I nt e 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