副標(biāo)題#e#    引言
    
    依據(jù)不同油田的油井、不同的開發(fā)和開采工藝、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行操作，因而井下工具的設(shè)計與試驗一直是油田開發(fā)中的一個重要技術(shù)間題。運用仿真技術(shù)對井下工具工作過程進行動態(tài)模擬，不僅可以觀察工具在井下的整個工作過程，而且還可以在虛擬環(huán)境下修改結(jié)構(gòu)和進行性能分析，既縮短井下工具的開發(fā)周期，又降低開發(fā)成本。尤其是三維仿真軟件的應(yīng)用與普及，使三維設(shè)計具有形象、直觀、精確、快速的特點，在產(chǎn)品開發(fā)的方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)品性能的評估、確定和優(yōu)化物理樣機參數(shù)的過程中能夠起到?jīng)Q定性作用。筆者借助SolidWorks軟件無縫集成的機構(gòu)運動仿真軟件COSM05Motion，對ZDM型鉆具倒扣撈矛進行運動仿真實例分析，展示了現(xiàn)代動態(tài)設(shè)計工具軟件在石油機械設(shè)計中的應(yīng)用方法，將井下工具設(shè)計、裝配、樣機運轉(zhuǎn)、性能測試和設(shè)計改進完全在虛擬環(huán)境中進行，為井下工具的研制提供了嶄新的設(shè)計方法。
   
    COSMOSMotion的特點
   
    COSMOSMotion是SolidWorks的CAE應(yīng)用插件，是廣大用戶實現(xiàn)數(shù)字化功能樣機的優(yōu)秀工具，是一個全功能運動仿真軟件。它可以建立復(fù)雜機構(gòu)運動模型，得到系統(tǒng)中各零部件的運動情況(包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等)，并以動畫、圖形和表格等多種形式輸出結(jié)果，還可將零部件在復(fù)雜運動情況下的復(fù)雜載荷情況直接輸出到主流有限元分析軟件中，從而進行正確的強度和結(jié)構(gòu)分析。它具有如下功能:
   
    (1)支持多種約束，包括轉(zhuǎn)動副、移動副、圓柱副、球面副、萬向副、螺旋副、平面副和固定約束。還支持共點、共線、共面、平動、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動，包括恒定值、步進、諧波、樣條線和函數(shù)等運動。
   
    (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。還具有獨特而實用的接觸(點線接觸、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格式動畫，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Text文件。另外還有功能強大、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，便于脹套與落魚接頭螺紋對扣，另外服扣套在上提拉力作用下，可牢牢地抓住落魚。若上部鉆具為正扣，則工具上部也應(yīng)為正扣。

    
    落魚魚頂應(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，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)引錐插人落魚水眼之后，正轉(zhuǎn)5-6轉(zhuǎn)，使脹扣套與落魚上部接頭螺紋旋合。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重力之和。
   
    ZDM型鉆具倒扣撈矛虛擬樣機打撈仿真實例
   
    1.打撈過程仿真步驟
   
    對ZDM型鉆具倒扣撈矛虛擬樣機進行運動仿真的基本步驟如圖2所示。

    
    2.打撈過程仿真模型與試驗
   
    要對ZDM型鉆具倒扣撈矛進行仿真，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)對各構(gòu)成零件進行組裝，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、落魚和井底4部分組成。倒扣撈矛設(shè)計總長為570mm，最大外徑為121mm。設(shè)計帶內(nèi)螺紋的圓筒來模擬落魚。經(jīng)分析，井下壓力和溫度對該仿真系統(tǒng)影響很小，可忽略。

    
    建好三維模型后，在裝配模塊下直接進人仿真環(huán)境。在進行仿真之前，應(yīng)先進行與仿真相關(guān)的基本參數(shù)設(shè)置，如力的單位、時間單位，重力加速度大小，以及與動h1有關(guān)的幀時間間隔及幀數(shù)等。在本例的仿真中，設(shè)置力的單位是N，時間的單位是s，長度的單位是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)時間間隔和幀數(shù))。利用COSMOSMotion的智能運動構(gòu)建器設(shè)置井壁和井底為靜止零部件，落魚和ZDM型鉆具倒扣撈矛為運動零部件。靜止零部件和運動零部件確立后，就可以設(shè)置零部件之間的運動關(guān)系，從而限制零部件的某些運動自由度，使其完成期望的運動。考慮倒扣撈矛上下往復(fù)運動，添加運動驅(qū)動，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)副為主運動，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為螺紋連接，設(shè)置它們之間為碰撞約束。為了真實模擬打撈過程，對系統(tǒng)中所有零部件都賦予了材料和質(zhì)量，落魚的質(zhì)量可以根據(jù)試驗要求自定義設(shè)置。所有內(nèi)容設(shè)置完畢后就可以進行打撈過程仿真。對落魚質(zhì)量為10,12,13,15t4種打撈工況進行仿真試驗。當(dāng)落魚質(zhì)量為10,12t時，打撈成功;當(dāng)落魚質(zhì)量為13,15t時，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，落魚被ZDM型鉆具倒扣撈矛從井底打撈出來。