泥漿動力可控偏心器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運動仿真應(yīng)用研究

摘要：在分析泥漿動力可控偏心器組成原理的基礎(chǔ)上，借助于虛擬樣機(jī)技術(shù)理論的指導(dǎo)，運用Solidworks實體設(shè)計軟件完成了該機(jī)的三維建模、虛擬裝配。通過Para-solid傳輸標(biāo)準(zhǔn)將Solidworks環(huán)境下的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)裝配體模型文件導(dǎo)入ADAMS中，實現(xiàn)了泥漿動力可控偏心器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對下一步的研究具有一定的參考和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：泥漿動力可控偏心器;Solidworks;ADAMS;虛擬樣機(jī);仿真分析

1.虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)就是不必建造物理樣機(jī)，，設(shè)計師直接利用計算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品整機(jī)的數(shù)字模型，通過仿真分析并以圖形顯示該模型在真實工程條件下的運動特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合學(xué)科的技術(shù)，該技術(shù)以CAD和仿真技術(shù)為核心，加以三維計算機(jī)圖形技術(shù)和用戶界面技術(shù)，將傳統(tǒng)松散關(guān)系的零部件設(shè)計和分析（例如零件CAD和有限元分析）集成在一起，提供一個全系統(tǒng)研究產(chǎn)品性能的方法。在整個設(shè)計過程中都可反饋信息，指導(dǎo)設(shè)計，迅速獲得產(chǎn)品最優(yōu)解[1]。

將虛擬樣機(jī)技術(shù)用于石油裝備的設(shè)計是對傳統(tǒng)的石油機(jī)械設(shè)計方法的一次創(chuàng)新。

2.機(jī)構(gòu)模型建立

2.1 機(jī)構(gòu)介紹

可控偏心器是結(jié)合了電子技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械液壓、控制理論于一體高科技智能導(dǎo)向工具。從系統(tǒng)仿真建模的角度，泥漿動力可控偏心器樣機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要有機(jī)械、液壓和電路三部分組成，即機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)[2]，具體如圖1所示。

2.2機(jī)構(gòu)建模

首先根據(jù)市場和客戶需要，確定可控偏心器總體參數(shù)和各項性能指標(biāo)，再根據(jù)專家系統(tǒng)初步確定可控偏心器總體設(shè)計方案?？煽仄钠魅S特征建模在Solidworks中實現(xiàn)，利用Solidworks生成參數(shù)化的零件實體，裝配成可控偏心器的運動部件，進(jìn)行干涉檢查;ADAMS中提供了與Solid-works的數(shù)據(jù)接口，可以將Solidworks中的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，定義剛體、運動副、載荷以及其他仿真參數(shù)的設(shè)定，產(chǎn)生參數(shù)的可控偏心器機(jī)構(gòu)模型，并進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析評價，如不滿意，則對該設(shè)計方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得到新的設(shè)計方案，開始新一輪的建模仿真分析，如果滿意，則確定為最終設(shè)計方案[3]。完成后的泥漿動力可控偏心器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三維模型如圖2所示。

3.機(jī)構(gòu)運動仿真

3.1模型導(dǎo)入ADAMS

在Solidworks實體設(shè)計中完成泥漿動力可控偏心器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)建模之后，利用ADAMS/Exchange模塊將Solidworks環(huán)境下的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三維模型以Parasolid傳輸標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入ADAMS中。將Solidworks模型導(dǎo)入ADAMS后，模型中原有的裝配關(guān)系都已無效，只是提供了各構(gòu)件的初始位置，其實各構(gòu)件之間只是毫無關(guān)系地獨立存在于ADAMS中，并不是具有現(xiàn)實意義的虛擬樣機(jī)。這時所要做的工作就是在ADAMS/View下將零部件“裝配”成整體，并對各構(gòu)件的名稱、材料等基本信息進(jìn)行設(shè)定[4]。

3.2模型檢驗

樣機(jī)模型建成以后，可以用模型檢驗工具來檢查錯誤，如模型運動副對齊不準(zhǔn)和零件約束不當(dāng)?shù)?，還可以用對象測量和交互式仿真分析對模型進(jìn)行檢驗，仿真分析前進(jìn)行裝配分析也有助于糾正錯誤的約束。檢驗建好的可控偏心器樣機(jī)模型，檢驗結(jié)果：樣機(jī)模型總共包括3個旋轉(zhuǎn)運動副、7個移動副、10個固定副、3個驅(qū)動，整個模型有6個自由度。模型沒有多余約束，檢驗正確。

3.3仿真結(jié)果

通過ADAMS/Poetprocessor模塊對仿真結(jié)果進(jìn)行測量分析處理，得到活塞桿位移、活塞桿速度幅值、翼肋在Y方向的加速度和翼肋在Y方向的角加速度等曲線圖，具體如圖3-6所示。

4.結(jié)束語

通過對可控偏心器導(dǎo)向部分的動力學(xué)分析，得到活塞桿和翼肋的運動狀態(tài)，為導(dǎo)向鉆具整體的改進(jìn)設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)。結(jié)果表明，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究泥漿動力可控偏心器導(dǎo)向部分的運動切實可行，為泥漿動力可控偏心器的設(shè)計和改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)，有助于縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品快速響應(yīng)市場變化的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉宏增.虛擬設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]姚子海 周靜 付鑫生.泥漿動力可控偏心器控制器研究[D].2004年碩士畢業(yè)論文.

[3]王國強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實現(xiàn)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[4]陳立平，張清平等.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社.2005.

作者簡介：李小燕（1980- ），女，寧夏吳忠人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計及自動化控制的教學(xué)與研究工作。