CAE技術(shù)在鉆探裝備研發(fā)中的應(yīng)用

孫文剛　李冬生　高崗

摘 要：本文對CAE技術(shù)在鉆探裝備研發(fā)中的優(yōu)勢、定位、CAE技術(shù)分析能力的形成、CAE技術(shù)在鉆探裝備研發(fā)中實際應(yīng)用以及在CAE應(yīng)用中遇到的問題進(jìn)行了介紹，并結(jié)合實例進(jìn)行分析。通過將CAE技術(shù)應(yīng)用于鉆探裝備研發(fā)實際，其結(jié)果表明：CAE技術(shù)能縮短研發(fā)周期，減少研發(fā)成本，提高設(shè)計質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：CAE仿真； CAE應(yīng)用；鉆探裝備；全生命周期

1.CAE概述

CAE（Computer Aided Engineering）是使用計算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE通常指有限元（FEA）分析和機(jī)構(gòu)的運動學(xué)及動力學(xué)分析[1]。

2.CAE技術(shù)在鉆探裝備研發(fā)中的應(yīng)用

在鉆機(jī)研制過程中，多種因素制約，會產(chǎn)生各種問題。最常用的解決辦法是，請專家或采用相應(yīng)的儀器找出故障點，采取相應(yīng)措施。通常提出的修改建議或許只針對某個零部件，但對整機(jī)來說，在解決一個問題的同時，很可能帶來其他問題。早期采用CAE技術(shù)，投入總量和傳統(tǒng)做法相比要少得多，鉆機(jī)投產(chǎn)后，能將投入維持在很低的水平，從總體上來說，降低了鉆機(jī)開發(fā)的總費用，上市時間也會提前。

2.1概念（初步）設(shè)計階段的CAE仿真分析

該階段的CAE仿真分析可以為設(shè)計人員提供設(shè)計工程師基礎(chǔ)設(shè)計驗證、不同方案的比較計算與分析，并為領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)計方案決策和商務(wù)決策提供參考依據(jù)，能夠回答企業(yè)是否能在預(yù)定時間、預(yù)定成本以及現(xiàn)有設(shè)備等約束條件下完成鉆機(jī)的研發(fā)和制造任務(wù)。

2.2詳細(xì)（工作圖）設(shè)計階段的CAE仿真分析

詳細(xì)設(shè)計階段包括系統(tǒng)設(shè)計、部件裝配、子部件裝配、零件設(shè)計，直到圖紙、材料、制造工藝等。

2.3試驗階段的CAE仿真分析

該階段是鉆機(jī)設(shè)計完成后的關(guān)鍵階段。目前大多數(shù)企業(yè)都是先制造鉆機(jī)的物理樣機(jī)，投入試驗。針對實驗失敗的方面，重新設(shè)計、制造和試驗，如此反復(fù)，直到定型通過。上述重復(fù)過程，在成本和時間上都造成極大浪費。

2.4制造階段的CAE仿真分析

該階段是鉆機(jī)實際制造的階段。通過仿真計算可以進(jìn)一步優(yōu)化制造的工藝流程、減少廢料，并且可以針對加工錯誤進(jìn)行演算，通過修改圖紙尺寸來保證交貨期，避免廢品和返修。

2.5應(yīng)用CAE技術(shù)規(guī)避專利壁壘

例如某新型鉆機(jī)在設(shè)計過程中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計時在滿足強度、剛度要求的前提下，進(jìn)行仿真優(yōu)化，改變結(jié)構(gòu)形式，其強度和剛度能否滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)自重是否最輕，材料利用率是否最合理等等，一定會有別于國外同類型鉆機(jī)。經(jīng)過設(shè)計工程師和CAE結(jié)構(gòu)工程師的共同努力，大幅提高鉆機(jī)的使用壽命且維護(hù)簡單、性能優(yōu)越，現(xiàn)已投入使用，并贏得用戶的信賴。CAE技術(shù)不僅可以打破國外知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)壁壘，規(guī)避已有的專利保護(hù)，而且與此同時也使得我們獲得自主的知識產(chǎn)權(quán)，申請專利保護(hù)。

2.6應(yīng)用CAE技術(shù)減重優(yōu)化結(jié)構(gòu)

某型鉆機(jī)機(jī)架在減重前重量約為23噸[3]，通過應(yīng)用多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，形狀優(yōu)化等CAE技術(shù)對原設(shè)計方案托板，上橫梁，方鋼等多個零件和鉆機(jī)整體機(jī)架進(jìn)行了20余次結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算，在滿足功能要求的前提下，機(jī)架減重約3噸，避免了整機(jī)超重，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

CAE主導(dǎo)的鉆探裝備研發(fā)設(shè)計過程如下：

圖1分別介紹了無CAE活的的產(chǎn)品研發(fā)過程，CAE介入的鉆機(jī)研發(fā)過程和CAE主導(dǎo)的研發(fā)過程。對比發(fā)現(xiàn)有CAE介入的研發(fā)過程，可以減少循環(huán)次數(shù)。CAE主導(dǎo)的研發(fā)過程，以CAE技術(shù)為依托，與設(shè)計過程緊密結(jié)合，直接通過樣機(jī)驗證。

CAE技術(shù)在鉆探裝備研發(fā)中的應(yīng)用如下：

（1）整機(jī)及零部件結(jié)構(gòu)靜態(tài)、動態(tài)以及模態(tài)分析，針對零部件的強度、剛度、應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析。如圖2所示。

（2）零件尺寸、形狀及多參數(shù)目標(biāo)優(yōu)化，在保證尺寸、形狀等要求的前提下進(jìn)行形狀優(yōu)化以達(dá)到減重等目的的分析。

（3）可靠性及疲勞分析，針對鉆桿，鉆頭等疲勞易損件進(jìn)行分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增強使用壽命。如圖3所示。

（4）多體運動學(xué)，動力學(xué)分析。在鉆機(jī)研發(fā)過程中進(jìn)行動力學(xué)和運動學(xué)分析，為設(shè)計過程提供數(shù)值量化的參考依據(jù)。

（5）流體分析，在鉆探裝備中，除塵或者排渣涉及到氣體、固體或者氣體、固體和液體多項流耦合的問題。如圖4所示。

（6）熱分析。例如在焊接過程中，通常會產(chǎn)生熱變形。焊接變形對設(shè)計、制造都造成了很多的困難。

CAE技術(shù)在鉆機(jī)性能試驗上的應(yīng)用：

結(jié)構(gòu)設(shè)計師最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)是要保證設(shè)計的鉆機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)性能滿足規(guī)格的要求，零部件是否與設(shè)計要求和運動關(guān)系的一致性。最好的解決方案是在樣機(jī)成型之前得知鉆機(jī)動力學(xué)性能，靈活調(diào)整方案避免失誤。

可以運用運動學(xué)仿真軟件如LMS Virtual， lab Motion，Adams和Dytran等進(jìn)行運動學(xué)分析。以履帶鉆機(jī)爬坡實驗舉例，試驗場地坡度為十五度。運用相關(guān)軟件可以提前對鉆機(jī)爬坡實驗進(jìn)行模擬并且坡度可以在軟件中調(diào)整，測試爬坡極限性能。LMS AMESIM模塊對液壓回路仿真，圖5是履帶行走液壓回路原理圖，圖6是履帶適應(yīng)性仿真模型。

CAE技術(shù)在解決售后產(chǎn)品上的應(yīng)用：

在鉆機(jī)的實際使用過程中遇到的問題有些是設(shè)計指出所沒有考慮到。這時要求設(shè)計人員結(jié)合CAE技術(shù)和實際工程狀況進(jìn)行分析，更改或者制定新的設(shè)計方案并將問題和解決措施備案為后續(xù)設(shè)計提供技術(shù)支持。

在裝備制造業(yè)市場競爭日益激烈的現(xiàn)在，CAE技術(shù)也遇到了前所未有的機(jī)遇。CAE技術(shù)在鉆探裝備制造業(yè)的使用越來越受到企業(yè)管理者的重視，它能有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，為企業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，體現(xiàn)出了較廣泛的使用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉昊，陳憲戰(zhàn)等.CAE技術(shù)現(xiàn)狀及其在石油物探機(jī)械裝備設(shè)計中的應(yīng)用[J].物探裝備，2010，4月第20卷第二期

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作者簡介：孫文剛（1989，1-），男，陜西寶雞，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，助理工程師，研究方向為鉆探裝備生產(chǎn)管理與應(yīng)用。