石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化

王 雄

（新疆克拉瑪依市榮昌有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依834009） ①

石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化

王 雄

（新疆克拉瑪依市榮昌有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依834009）①

應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，通過(guò)對(duì)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)功能的定義、分析及綜合，從定性、定量2個(gè)方面進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，獲得了石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)的最優(yōu)方案，即應(yīng)用Pro／E、ADAMS及ANSYS軟件作為其分析功能模塊，石油機(jī)械設(shè)計(jì)者可通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，并在虛擬條件下檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。

石油機(jī)械；軟件；分析平臺(tái)；方案；優(yōu)化

原理和方案設(shè)計(jì)是應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)理論，從產(chǎn)品的功能分析入手，研究產(chǎn)品的功能系統(tǒng)，明確產(chǎn)品的總功能、各子功能以及它們之間的關(guān)系；再依據(jù)設(shè)計(jì)要求，探尋原理解法，提出創(chuàng)造性方案的方法［1－2］。本文針對(duì)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)的主要應(yīng)用功能提出原理性的構(gòu)思［3］，探索了解決該分析平臺(tái)問(wèn)題的物理效應(yīng)和工作原理過(guò)程，對(duì)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 功能定義

1.1 設(shè)計(jì)要求

石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)能夠使設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確檢驗(yàn)產(chǎn)品的裝配性能，可直觀地在虛擬條件下看到設(shè)計(jì)結(jié)果，隨時(shí)對(duì)零件設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及選用材質(zhì)等進(jìn)行改進(jìn)，建立石油機(jī)械相關(guān)常規(guī)零部件調(diào)用模型庫(kù)［4］。

1.2 分析平臺(tái)

黑箱法是一種根據(jù)產(chǎn)品的輸入、輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)定義產(chǎn)品總功能的應(yīng)用方法，由輸入部分、輸出部分及中間環(huán)節(jié)（黑箱）3部分組成［3］。圖1為石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)黑箱，左、右兩邊由不同輸入形式（零件造型、計(jì)算機(jī)控制、能量）和輸出形式（實(shí)體模型、全套工程圖）組成，通過(guò)對(duì)圖中輸入和輸出的比較，概括該軟件分析平臺(tái)的總功能，輸出全套工程圖紙。

圖1 石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)黑箱

2 功能分析

產(chǎn)品功能分析是指在對(duì)產(chǎn)品總功能定義的基礎(chǔ)上，按照各功能之間所要達(dá)到的實(shí)施目的及實(shí)施過(guò)程中所采用的方法或手段之間的關(guān)系；采取應(yīng)用樹(shù)狀示意圖將石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)的總功能進(jìn)行分解，并構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如圖2。

圖2 石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

3 功能綜合

石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)功能綜合就是在功能分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平臺(tái)功能元的求解和相關(guān)方案的組合。石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)總功能共分解為9個(gè)單元，利用形態(tài)學(xué)矩陣（如表1）進(jìn)行方案組合可得到N個(gè)組合方案，即

N＝3×3×2×3×3×2×2×2×2＝2 592

根據(jù)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，剔除與平臺(tái)功能設(shè)計(jì)要求不符及與各功能元的解（軟件模塊功能）不相容的方案，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇可行組合方案。

1） 方案1 A3＋B3＋C2＋D1＋E1＋F1＋G2＋H2＋I(xiàn)1。

2） 方案2 A2＋B2＋C2＋D2＋E2＋F2＋G1＋H1＋I(xiàn)2。

3） 方案3 A1＋B1＋C1＋D2＋E2＋F2＋G2＋H1＋I(xiàn)2。

表1 石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)形態(tài)學(xué)矩陣

4 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

分析平臺(tái)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)決策就是在眾多已有功能綜合基礎(chǔ)上，選擇確定出切實(shí)可行的3套組合方案，按照預(yù)先確定的評(píng)價(jià)目標(biāo)或評(píng)價(jià)指標(biāo)給予定性以及定量的評(píng)價(jià)，并從中選擇最佳設(shè)計(jì)方案，以期為后續(xù)實(shí)際分析平臺(tái)的研發(fā)提供參考［2－3］。

4.1 定性評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)已選定的3套原理設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析，3種方案在平臺(tái)零件設(shè)計(jì)、裝配模塊的實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真和材料有限元分析所借助軟件各不相同。

1） 零件設(shè)計(jì)、裝配模塊 表1所例舉的3種三維實(shí)體建模軟件均可實(shí)現(xiàn)，但在CAXA軟件建模中，實(shí)體精度不高，易造成后續(xù)設(shè)計(jì)零部件干涉；Pro／E軟件三維實(shí)體建模功能強(qiáng)大、建模數(shù)據(jù)傳輸接口性能優(yōu)良，且與諸多動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)分析軟件傳輸坐標(biāo)一致，方便后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［5］。

2） 運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真 Pro／E、ADAMS及UG軟件在石油機(jī)械三維實(shí)體運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真中各有特點(diǎn)。Pro／E軟件三維實(shí)體建模功能強(qiáng)大，通常在其界面內(nèi)直接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真省工省力，免去了不同軟件之間因?yàn)榻涌诓煌爆嵉霓D(zhuǎn)化步驟，但應(yīng)用該軟件后所獲得運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)較少，很多數(shù)據(jù)不能夠直接獲得；UG軟件主要偏向于涉及諸多曲面的石油及礦山機(jī)械，應(yīng)用時(shí)具有局限性；ADAMS軟件中其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)導(dǎo)入的石油機(jī)械虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析，具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析功能［6－7］。

3） 有限元分析 Solid Works軟件中帶有材料有限元分析模塊，但是僅針對(duì)一些形狀簡(jiǎn)單的零部件，且該軟件的接口適應(yīng)性有限；ANSYS軟件是專(zhuān)門(mén)為材料有限元分析所設(shè)計(jì)，提供了與大多數(shù)三維軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交換的圖形接口，適用范圍較廣［8］。

4.2 定量評(píng)價(jià)

選用通常所應(yīng)用的加權(quán)系數(shù)法進(jìn)行分析平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的分析評(píng)價(jià)。

4.2.1 確定評(píng)價(jià)目標(biāo)及加權(quán)系數(shù)

根據(jù)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，確定了4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用判別法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)。評(píng)價(jià)指標(biāo)和加權(quán)系數(shù)值如表2所示［3］。

表2 加權(quán)系數(shù)判別計(jì)算

4.2.2 方案評(píng)分

在石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)階段，通常采用10分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（如表3）進(jìn)行評(píng)分。為了減少由于個(gè)人的主觀因素對(duì)方案評(píng)分的影響，采用集體評(píng)分法對(duì)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)3個(gè)已選定結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，其平均分作為有效分值進(jìn)行參考，設(shè)

計(jì)方案評(píng)價(jià)分析結(jié)果如表4。

表3 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表4 石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)評(píng)價(jià)分值

4.2.3 計(jì)算有效分值

通過(guò)表2～4評(píng)價(jià)分值，計(jì)算已選擇3種方案的有效分值。

1） 方案1 F＝6×0.357＋4×0.214＋4× 0.25＋6×0.179＝5.072。

2） 方案2 F＝8×0.357＋8×0.214＋6× 0.25＋10×0.179＝7.858。

3） 方案3 F＝4×0.357＋4×0.214＋2× 0.25＋4×0.179＝3.5。

由3種方案的有效分值的計(jì)算結(jié)果可以看出，方案2的有效評(píng)分值最高為7.858，可作為石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)設(shè)計(jì)的最佳方案。

通過(guò)對(duì)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)的3個(gè)初選方案進(jìn)行定性分析和定量評(píng)價(jià)，確定方案2，即A2＋B2＋C2＋D2＋E2＋F2＋G1＋H1＋I(xiàn)2為最佳原理設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

從系統(tǒng)功能出發(fā)，采用形態(tài)學(xué)矩陣的方法提出了軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)預(yù)選方案的有效方法；列出了該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)每一個(gè)功能模塊、功能子方案的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出了石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)設(shè)計(jì)的3個(gè)方案。通過(guò)對(duì)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從定性、定量2方面分析比較得出了最優(yōu)方案，即該平臺(tái)應(yīng)用Pro／E、ADAMS及ANSYS軟件作為其分析功能模塊，實(shí)現(xiàn)效果最佳。該設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法的應(yīng)用可為我國(guó)石油機(jī)械軟件分析平臺(tái)的研發(fā)提供參考。

［1］ 王春雨，張廣文.自動(dòng)沖切機(jī)原理方案設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（7）：213－214.

［2］ 郭連忠.新型發(fā)酵機(jī)的原理方案設(shè)計(jì)探討［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2004（4）：4－7.

［3］ 廖林清.機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)［M］.四川：重慶大學(xué)出版社，1996.

［4］ 周玉存.基于Pro／Engineer的裝配仿真技術(shù)在石油機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.石油工程建設(shè)，2006，32（5）：71－72.

［5］ 張建龍，周體秋.石油機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助制圖系統(tǒng)在鉆井工具制圖中的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，1997，25（2）：45－46，55.

［6］ 黃傳勇.基于Pro／E的CAD／CAM一體化技術(shù)研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2005，18（3）：110－112.

［7］ 李 光，仝雷強(qiáng)，張永明，等.基于Pro／E及ADAMS的液壓挖掘機(jī)整機(jī)機(jī)構(gòu)的建模與運(yùn)動(dòng)仿真［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2010，25（6）：46－48.

［8］ 毛 君，劉繼權(quán)，謝 苗.虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)在石油機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用展望［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（6）：69－72.

Scheme Design and Optimization of Soft Ware Analysis Platform of Petroleum Machinery

WANG Xiong
（Xinjiang Karamay Rong chang Co.，L td.，Karamay834009，China）

According to development process function demand of petroleum machinery，using modern design theory methodology to design and optimization of soft ware analysis platform based on petroleum machinery，through defining and analyzing and compositing the total function，from the two aspects of the qualitative and quantitative to analysis and evaluation the principle scheme，the optimization principal scheme of soft ware analysis platform was obtained based on petroleum machinery，which uses PRO／E，ADAMS and ANSYS software as the analysis platform function module.This design and optimization method will provide the important technical reference and guidance for researching of soft ware analysis platform based on petroleum machinery in China.

petroleum machinery；soft ware；analysis platform；principal scheme；optimization

1001－3482（2012）01－0076－04

TE9

B

2011－09－06

王 雄（1980－），男，甘肅定西人，主要從事石油機(jī)械制造及進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)維修工作，E－mail：victor198208＠163.com。