副標(biāo)題#e#    引言
    
    依據(jù)不同油田的油井、不同的開(kāi)發(fā)和開(kāi)采工藝、以及油井的不同工作狀態(tài)，需要在井中下放不同的井下工具進(jìn)行操作，因而井下工具的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)一直是油田開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要技術(shù)間題。運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)井下工具工作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，不僅可以觀察工具在井下的整個(gè)工作過(guò)程，而且還可以在虛擬環(huán)境下修改結(jié)構(gòu)和進(jìn)行性能分析，既縮短井下工具的開(kāi)發(fā)周期，又降低開(kāi)發(fā)成本。尤其是三維仿真軟件的應(yīng)用與普及，使三維設(shè)計(jì)具有形象、直觀、精確、快速的特點(diǎn)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)品性能的評(píng)估、確定和優(yōu)化物理樣機(jī)參數(shù)的過(guò)程中能夠起到?jīng)Q定性作用。筆者借助SolidWorks軟件無(wú)縫集成的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真軟件COSM05Motion，對(duì)ZDM型鉆具倒扣撈矛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)例分析，展示了現(xiàn)代動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工具軟件在石油機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法，將井下工具設(shè)計(jì)、裝配、樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、性能測(cè)試和設(shè)計(jì)改進(jìn)完全在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，為井下工具的研制提供了嶄新的設(shè)計(jì)方法。
   
    COSMOSMotion的特點(diǎn)
   
    COSMOSMotion是SolidWorks的CAE應(yīng)用插件，是廣大用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)字化功能樣機(jī)的優(yōu)秀工具，是一個(gè)全功能運(yùn)動(dòng)仿真軟件。它可以建立復(fù)雜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，得到系統(tǒng)中各零部件的運(yùn)動(dòng)情況(包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等)，并以動(dòng)畫(huà)、圖形和表格等多種形式輸出結(jié)果，還可將零部件在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況下的復(fù)雜載荷情況直接輸出到主流有限元分析軟件中，從而進(jìn)行正確的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析。它具有如下功能:
   
    (1)支持多種約束，包括轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、圓柱副、球面副、萬(wàn)向副、螺旋副、平面副和固定約束。還支持共點(diǎn)、共線、共面、平動(dòng)、平行軸、垂直等虛約束。可分別按位移、速度或加速度添加各種運(yùn)動(dòng)，包括恒定值、步進(jìn)、諧波、樣條線和函數(shù)等運(yùn)動(dòng)。
   
    (2)可以模擬系統(tǒng)各種受力情況，包括拉壓彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧、拉壓阻尼和扭轉(zhuǎn)阻尼、作用力、作用力矩、反作用力、反作用力矩和碰撞力等。還具有獨(dú)特而實(shí)用的接觸(點(diǎn)線接觸、線線接觸)和藕合定義功能。
   
    (3)可以將結(jié)果輸出為通用的AVI格式動(dòng)畫(huà)，也可以輸出到Excel表格中，以表格或圖形的形式顯示數(shù)據(jù)，還可以輸出為T(mén)ext文件。另外還有功能強(qiáng)大、內(nèi)容豐富的各種XY圖形輸出。
   
    ZDM型鉆具倒扣撈矛的結(jié)構(gòu)和工作原理
   
    ZDM型鉆具倒扣撈矛由矛體、脹心軸和脹扣套組成(見(jiàn)圖1)。矛體上部為反(正)扣鉆桿接頭螺紋，矛體與脹心軸由螺紋聯(lián)接，脹扣套裝配在脹心軸的外錐體上，脹心軸下部有引導(dǎo)錐，便于脹套與落魚(yú)接頭螺紋對(duì)扣，另外服扣套在上提拉力作用下，可牢牢地抓住落魚(yú)。若上部鉆具為正扣，則工具上部也應(yīng)為正扣。

    
    落魚(yú)魚(yú)頂應(yīng)有與倒扣撈矛下部螺紋相配合的完整內(nèi)螺紋。在倒扣撈矛打撈作業(yè)時(shí)，ZBM型鉆具倒扣撈矛山反扣鉆桿沿著井璧慢慢送入井下。當(dāng)引錐插人落魚(yú)水眼之后，正轉(zhuǎn)5-6轉(zhuǎn)，使脹扣套與落魚(yú)上部接頭螺紋旋合。上提倒扣撈矛，脹扣套被脹心軸撐大，緊緊地與落魚(yú)接頭螺紋配合。上提拉力需大于倒扣撈矛本身的重力與落魚(yú)重力之和。
   
    ZDM型鉆具倒扣撈矛虛擬樣機(jī)打撈仿真實(shí)例
   
    1.打撈過(guò)程仿真步驟
   
    對(duì)ZDM型鉆具倒扣撈矛虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的基本步驟如圖2所示。

    
    2.打撈過(guò)程仿真模型與試驗(yàn)
   
    要對(duì)ZDM型鉆具倒扣撈矛進(jìn)行仿真，首先要建立它的裝配模型。用SolidWorks軟件建立三維裝配體模型的方法有2種：①先建立零件，然后使用配合技術(shù)對(duì)各構(gòu)成零件進(jìn)行組裝，建立裝配體，即自底向上的裝配體建模技術(shù);②直接在裝配體模型中根據(jù)零件特征和尺寸關(guān)聯(lián)建立起各個(gè)構(gòu)成零件，即自頂向下的建模技術(shù)。這里采用前一種方法，即利用SolidWorks提供的智能配合技術(shù)先建立ZDM型鉆具倒扣撈矛裝配休模型，然后再完成整個(gè)模型的裝配。
   
    如圖3所示，該裝配體模型主要由倒扣撈矛、井壁、落魚(yú)和井底4部分組成。倒扣撈矛設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為570mm，最大外徑為121mm。設(shè)計(jì)帶內(nèi)螺紋的圓筒來(lái)模擬落魚(yú)。經(jīng)分析，井下壓力和溫度對(duì)該仿真系統(tǒng)影響很小，可忽略。

    
    建好三維模型后，在裝配模塊下直接進(jìn)人仿真環(huán)境。在進(jìn)行仿真之前，應(yīng)先進(jìn)行與仿真相關(guān)的基本參數(shù)設(shè)置，如力的單位、時(shí)間單位，重力加速度大小，以及與動(dòng)h1有關(guān)的幀時(shí)間間隔及幀數(shù)等。在本例的仿真中，設(shè)置力的單位是N，時(shí)間的單位是s，長(zhǎng)度的單位是mm，仿真幀數(shù)為700(根據(jù)仿真精度要求可以適當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)間間隔和幀數(shù))。利用COSMOSMotion的智能運(yùn)動(dòng)構(gòu)建器設(shè)置井壁和井底為靜止零部件，落魚(yú)和ZDM型鉆具倒扣撈矛為運(yùn)動(dòng)零部件。靜止零部件和運(yùn)動(dòng)零部件確立后，就可以設(shè)置零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而限制零部件的某些運(yùn)動(dòng)自由度，使其完成期望的運(yùn)動(dòng)。考慮倒扣撈矛上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，添加運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，速度函數(shù)為IF(TIME-3:340,0,0)+IF(TIME-4:0,0，-340)。設(shè)置脹扣套旋轉(zhuǎn)副為主運(yùn)動(dòng)，速度函數(shù)為STEP(TIME,2,OD,3，(STEP(TIME,3,-720D,4.1，(STEP(TIME,4.1,OD,6,OD)))))。考慮到脹扣套和落魚(yú)為螺紋連接，設(shè)置它們之間為碰撞約束。為了真實(shí)模擬打撈過(guò)程，對(duì)系統(tǒng)中所有零部件都賦予了材料和質(zhì)量，落魚(yú)的質(zhì)量可以根據(jù)試驗(yàn)要求自定義設(shè)置。所有內(nèi)容設(shè)置完畢后就可以進(jìn)行打撈過(guò)程仿真。對(duì)落魚(yú)質(zhì)量為10,12,13,15t4種打撈工況進(jìn)行仿真試驗(yàn)。當(dāng)落魚(yú)質(zhì)量為10,12t時(shí)，打撈成功;當(dāng)落魚(yú)質(zhì)量為13,15t時(shí)，脹扣套螺紋失效，打撈失敗。成功的打撈仿真結(jié)果如圖4所示，落魚(yú)被ZDM型鉆具倒扣撈矛從井底打撈出來(lái)。