基于闸板防喷器的仿真设计与实现毕业设计

东北石油大学本科生毕业设计（论文）基于 3Dmax 闸板防喷器的仿真设计与实现摘 要闸板防喷器是井控装置的关键部分，主要用途是在钻井、修井、试油等过程中控制井口压力。当井内有管柱时，配上相应管子闸板能封闭套管与管柱间环形空间，当井内无管柱时，配上全封闸板可全封闭井口，当处于紧急情况时，可用剪切闸板剪断井内管柱，并全封闭井口。为了更好的了解闸板防喷器的功能，本次设计制作了三维闸板防喷器工作的动画及视频。闸板防喷器三维模型的构建是三维闸板防喷器工作的效果能够实现的基础，闸板防喷器三维模型的构建主要是通过 3ds Max 2009 来实现。三维闸板防喷器工作效果的研究与制作是运用 3ds Max，Photoshop 等软件制作防喷器组的模型，通过材质编辑、模型优化等步骤，将模型逐步完善，使用 RealFlow 完成粒子的制作，然后完成相应功能的动画制作，利用 VRay 渲染出图，最后使用 AE 完成视频制作。通过三维闸板防喷器工作效果的视频展示，可以直接地了解到板防喷器工作过程，使培训人员能够更直观地了解闸板防喷器工作原理，而且使工作效率更高些。关键词：闸板防喷器；三维模型；粒子东北石油大学本科生毕业设计（论文）AbstractRam preventer is a key part of the well control device.Its important implication for drilling, workover, oil control in the process of wellhead pressure, etc. When well with string, deserve to go up corresponding pipe ram to seal the annular space between casing and tubing string. when no string in well, deserve to go up the gate can be closed wellhead sealing, when in emergency, the available shear damper cut tubing string in well, and closed wellhead. In order to understand better in the function of the ram preventer, the design made a 3 three-dimensional animation and video about how the ram preventer to work. The construction of three-dimensional model about Ram preventer is a three-dimensional ram preventer work can achieve the effect of foundation. Ram preventer construction of three-dimensional model is mainly done by 3ds Max 2009. three-dimensional ram preventer work effect in the research and production is using 3ds Max, Photoshop and other software to make the bop stack model. Such as the model gradually improve by the material editor, model optimization steps. To use RealFlow to complete the production of particles, and then complete the corresponding functions of animation.At last, to use VRay adamantly. Through the three dimensional ram preventer work effect of the video display, you can directly observe the working process of the ram preventer, enable trainees to more intuitive understanding of the ram preventer dyeing figure, finally use AE complete video production. The use of the principle, the training way not only save resources, but also make the work more efficient. Key words: Ram preventer; 3d Model; The particle 东北石油大学本科生毕业设计（论文）I目 录第 1 章 概述 .11.1 选题背景及意义 .11.2 课题设计思想 .11.3 本章小结 .3第 2 章 三维闸板防喷器工作效果的实现工具 .42.1 3ds Max 2009 .42.2 Photoshop CS4 .52.3 RealFlow .72.4 AE.82.5 本章小结 .9第 3 章 三维闸板防喷器工作效果的系统分析 .103.1 需求分析 .103.2 可行性分析 .133.3 主要任务 .133.4 本章小结 .13第 4 章 三维闸板防喷器工作的效果的总体设计 .154.1 三维闸板防喷器工作效果的开发流程 .154.2 三维模型的设计 .164.3 三维动画的设计 .214.4 合成视频 .234.5 本章小结 .24第 5 章 闸板防喷器工作效果的实现 .255.1 三维场景的构建 .255.2 闸板防喷器三维场景动画制作 .305.3 闸板防喷器 REALFLOW 制作粒子 .32结 论 .36参考文献 .37东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第 1 章 概述1.1 选题背景及意义闸板防喷器是井控设备的关键部位，在钻井的时候是非常普遍设备，主要用途是当井内有管柱时，配上相应管子闸板能封闭套管与管柱间环形空间，当井内无管柱时，配上全封闸板或剪切闸板可全封闭井口；当处于紧急情况时，可用剪切闸板剪断井内管柱，并全封闭井口；在封井情况下，通过与四通及壳体旁侧出口相连的压井、节流管汇进行泥浆循环、节流放喷、压井、洗井等特殊作业；与节流、压井管汇配合使用，可有效地控制井底压力，实现近平衡压井作业。闸板防喷器要有四处密封才能有效地密封井口，即：闸板顶密封与壳体的密封；闸板前密封与管柱、壳体及前密封相互间的密封；壳体与侧门总成之间的密封；闸板轴与侧门总成间的密封。闸板的密封过程分为两步：一是在液压油作用下闸板轴推动闸板前密封胶芯挤压变形密封前部，顶密封胶芯与壳体间过盈压缩密封顶部，从而形成初始密封；二是在井内有压力时，井压从闸板后部推动闸板前密封进一步挤压变形，同时井压从下部推动闸板上浮贴紧壳体上密封面，从而形成可靠的密封，亦即井压助封作用。本次设计是通过三维闸板防喷器工作效果的视频展示，使同学们能够更直观地了解闸板防喷器的原理，该方式不仅节省资源，而且不受空间和时间的限制。1.2 课题设计思想设计是油井施工的依据，也是保证质量的关键。现在的情况是闸板防喷器设计与闸板防喷器施工设计相差较大。闸板防喷器施工设计是根据钻井的实际情况，在工艺、工具、水泥浆体系方面，针对具体情况采取的技术措施。由于原闸板防喷器设计的影响，工艺、工具、添加剂受到限制。因此，应以闸板防喷器施工设计为依据。实现操作具有模型和动画逼真，使用灵活，基本功能稳定，运行速度快等特性。实用性：本系统以用户需求为目标，以方便用户为原则。根据实际的需求分析，应该设计并实现一个先进的系统。从用户角度出发尽可能的方便用户使用，满足基本的用户需要，尽可能降低使用前的培训和使用中的维护时间并充分体现了闸板防喷器视频的作用，使其具有实用性。先进性：本设计将充分应用现有成熟的计算机技术、网络技术、软件开发技术，为用户提供高质量的视频。可以方便的满足用户一体化系统的使用和管理上的需要。东北石油大学本科生毕业设计（论文）2可维护性：视频的设计要求方便维护，包括硬件的维护，软件的维护（更改、升级等）和网络的维护。高可靠性：一个实用的视频同时必须是可靠的，本设计通过合理而先进的网络设计以及软、硬件的优化选型，可保证视频的可靠性与正确性。采用标准技术：本系统的所有设计遵循国际上现行的行业标准进行，以提高系统的开放性。可扩展性及灵活性：系统的设计以方便未来业务的扩展和系统扩充为目标，系统要求能够方便的升级，充分保护系统的投资。自 20 世纪初开始，由于钻井技术的不断成熟，世界石油天然气勘探开发活动日益活跃，勘探领域从陆上到海上，从浅部地层到深部地层，从老区到新区迅速延伸。在这个钻井数量不断增加，勘探领域逐渐扩大的过程中，闸板防喷器在钻井工作中起着重要的作用。1.2.1 防喷器的概念防喷器是用于试油、修井、完井等作业过程中关闭井口，防止井喷事故发生，将全封和半封两种功能合为一体，具有结构简单，易操作，耐高压等特点，是油田常用的防止井喷的安全密封井口装置。石油钻井时，安装在井口套管头上，用来控制高压油、气、水的井喷装置。在井内油气压力很高时，防喷器能把井口封闭(关死)。从钻杆内压入重泥浆时，其闸板下有四通，可替换出受气侵的泥浆，增加井内液柱的压力，以压住高压油气的喷出。其类型分普通防喷器、万能防喷器和旋转防喷器。万能防喷器是可以在紧急情况下启动，应付任何尺寸的钻具和空井；旋转防喷器是可以实现边喷边钻作业。在深井钻井中常是除两种普通防喷器外，再加上万能防喷器、旋转防喷器，使三种或四种组合地装于井口。1.2.2 我国闸板防喷器的发展方向（ 1） 研 制 超 高 压 大 通 径 防 喷 器 组 在 目 前 已 研 制 105MPa 防 喷 器 的 基 础 上 ，将 105MPa 防 喷 器 系 列 化 ， 完 善 其 配 套 工 具 、 全 封 、 半 封 及 剪 切 闸 板 等 的 研 制 ；在 FZ679.45mm， 额 定 工 作 压 力 14MPa 的 特 大 型 单 闸 板 防 喷 器 基 础 上 ， 研 制21MPa、 35MPa 高 压 及 多 闸 板 特 大 型 防 喷 器 ； 研 究 快 装 卸 闸 板 机 构 ， 提 高 防 喷器 操 作 的 自 动 化 程 度 ； 深 入 开 展 弹 性 体 有 限 元 计 算 分 析 及 计 算 机 变 形 仿 真 技 术 的研 究 ； 开 展 胶 心 骨 架 的 弹 性 支 承 有 限 元 应 力 应 变 计 算 ， 优 化 骨 架 结 构 设 计 及 选 材 ；实 现 陆 上 高 压 油 气 田 及 海 上 油 田 钻 井 防 喷 器 的 国 产 化 。（ 2） 加 强 新 材 料 的 研 究 研 究 高 强 度 耐 腐 蚀 的 抗 H2S 钢 种 ， 力 争 突 破NACEMRO1-75 标 准 中 对 结 构 钢 硬 度 值 HRC22 及 相 应 强 度 值 的 限 制 ， 以 适 应 超高 压 防 喷 器 生 产 的 需 要 ； 研 究 新 的 硫 化 工 艺 及 设 备 ， 使 我 国 胶 心 制 造 技 术 上 一 个东北石油大学本科生毕业设计（论文）3新 台 阶 ； 研 究 适 用 于 H2S 环 境 的 剪 切 闸 板 ； 研 究 适 应 高 温 、 寒 冷 、 海 洋 、 沙 漠等 不 同 介 质 环 境 的 密 封 材 料 ， 以 满 足 各 种 恶 劣 工 况 。（ 3） 提 高 制 造 及 自 动 化 检 测 技 术 水 平 壳 体 等 承 压 件 用 35000t 大 型 水 压 机锻 造 成 型 或 采 用 钢 水 精 炼 技 术 ， 努 力 解 决 承 压 件 毛 坯 铸 锻 工 艺 落 后 问 题 ， 避 免材 质 内 部 出 现 缺 陷 。 考 虑 材 质 中 “五 害 ”元 素 的 影 响 ， 满 足 NACEMR01-75 抗 硫性 能 的 要 求 。1.3 本章小结本章主要阐述了“三维井喷效果的研究与制作”这个研究主题相关的选题背景和意义，以及闸板防喷器的相关知识。通过了解“三维闸板防喷器效果的研究与制作”的选题背景和意义，可以知道，三维技术开发的主要需求所在、三维技术开发的意义和目的以及三维技术的服务对象。了解闸板防喷器的相关知识，知道了防喷器组的工作流程。东北石油大学本科生毕业设计（论文）4第 2 章 三维闸板防喷器工作效果的实现工具在此次三维闸板防喷器仿真设计的研究与制作中，首先利用三维制作软件 3ds Max 创建三维场景模型，然后使用 Photoshop 软件进行图片处理以及优化，利用RealFlow 完成闸板防喷器粒子的制作，并将粒子导入 3ds Max 中，之后进行动画的制作。利用 VRay 渲染器渲染出图，然后使用 AE 对序列图片处理最终合成相应格式的视频文件。2.1 3ds Max 2009闸板防喷器三维模型的构建是三维闸板防喷器工作效果能够实现的基础，闸板防喷器三维模型的构建主要是通过 3ds Max 2009 来实现的。3ds Max 是一款基于 Windows 操作平台推出的优秀三维制作软件，现已广泛地应用于建筑装潢、工业造型、影视动画等诸多设计领域。自诞生以来已经荣获了近百项行业大奖，获得了业内人士的一致肯定，是当今 Windows 环境下 3D 设计师开发工具的第一选择。用户可以用 3ds Max 创建出各种形式的虚拟现实效果以及生动逼真的动画场景。2.1.1 3ds Max 2009 概述3D Studio Max，常简称为 3ds Max 或 MAX，是 Autodesk 出品的一款著名 3D动画软件，是著名软件 3d Studio 的升级版本。3ds Max 是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件 7。其 3ds Max 2009 主要功能如下：新的 Reveal 渲染系统为您快速精调渲染提供了所需的精确控制。你可以选择渲染减去某个特定物体的整个场景；或渲染单个物体甚至帧缓冲区的特定区域。渲染图像帧缓冲区现在包含一套简化的工具，通过随意过滤物体、区域和进程、平衡质量、速度和完整性，可以快速有效达到渲染设置中的变化。新增的 Biped 工作流程可以让您处理的 Biped 角色的手部动作与地面的关系像足部动作一样。这个新功能大大减少了制作四足动画所需的步骤。3ds Max 2009 还支持 Biped 物体的以工作轴心点和选取轴心点为轴心进行旋转,这加速了戏剧化的角色的动作的创建,比如一个角色摔在地面上。更高的 OBJ 转换保真度以及更多的导出选项使得在 3ds Max 和 Mudbox 以及其它数字雕刻软件之间传递数据更加容易。您可以利用新的导出预置；额外的几何体选项，包括隐藏样条线或直线；以及新的优化选项来减少文件大小和改进性能。游戏制作人员可以体验到增强的纹理贴图处理以及在物体面数方面得到改进的Mudbox 导入信息。3ds Max 2009 还提供改进的 FBX 内存管理以及支持 3ds Max 与东北石油大学本科生毕业设计（论文）5其它产品协同工作的新的导入选项。3ds Max 在智能、易用的贴图工具方面继续引领业界潮流。您可以使用新的样条贴图功能来对管状和样条状物体进行贴图，例如把道路贴图到一个区域中。此外，改进的 Relax 和 Pelt 工作流程简化了 UVW 展开，使您能够以更少的步骤创作出想要的作品。SDK 中的.NET 支持支持.NET，可通过使用 Microsoft 的高效高级应用程序编程接口扩展您的软件。3ds Max 2009 软件开发工具包配有 .NET 示例代码和文档，可帮助开发人员利用这个强大的工具包。新的材质库提供易用、基于实物的 mental ray 材质，使您能够快速创建常用的建筑和设计表面，例如固态玻璃、混凝土或专业的有光或无光墙壁涂料。3ds Max 现在支持新型的区域灯光（圆形、圆柱形）、浏览对话框和灯光用户界面中的光度学网络预览以及改进的近距离光度学计算质量和光斑分布 8。另外，分布类型现在能够支持任何发光形状，而且您可以将灯光形状显示地和渲染图像中的物体一致。2.1.2 3ds Max 2009 的应用3ds Max 是由 Autodesk 公司旗下的公司开发、基于 PC 系统的一款用于数字空间表现的三维设计软件，它强大的建模、动画制作和渲染功能使其成为全球最流行的应用软件 9。其广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的 3ds Max 被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作，深深扎根于玩家心中“劳拉”角色就是 3ds Max 的杰作，在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3ds Max 的使用率更是占据了绝对的优势。2.2 Photoshop CS4Photoshop 是 Adobe 公司推出的图像设计及处理软件，其以强大的功能受到广大用户的青睐，得到广泛的应用 13。2.2.1 Photoshop CS4 概述Adobe Photoshop，简称“PS ”是一个由 Adobe Systems 开发和发行的图像处理软件。Photoshop 是世界顶尖级的图像设计与制作工具软件。Photoshop 主要处理以像素所构成的数字图像。图像处理是对已有的位图图像进行编辑加工处理以及运用一些特殊效果，其重点在于对图像的处理加工。在表现图像中的阴影和色彩的细微变化方面或者进行一些特殊效果处理时，使用位图形式是最佳的选择，它在这方面的优点是矢量图无法比拟的。Photoshop 掌握绘画的基础理论，学习色彩原理和选取颜色、范围选取、工具与绘图、图像编辑、控制图像色彩和色调、使用图层、路径、通道和蒙板的应用、滤镜等。东北石油大学本科生毕业设计（论文）6Photoshop 从功能上看，该软件可分为图像编辑、图像合成、校色调色及特效制作部分等。图像编辑是图像处理的基础，可以对图像做各种变换如放大、缩小、旋转、倾斜、镜像、透视等。也可进行复制、去除斑点、修补、修饰图像的残损等。这在婚纱摄影、人像处理制作中有非常大的用场，去除人像上不满意的部分，进行美化加工，得到让人非常满意的效果。图像合成则是将几幅图像通过图层操作、工具应用合成完整的、传达明确意义的图像，这是美术设计的必经之路；该软件提供的绘图工具让外来图像与创意很好地融合，成为可能使图像的合成天衣无缝。校色调色是该软件中深具威力的功能之一，可方便快捷地对图像的颜色进行明暗、色偏的调整和校正，也可在不同颜色进行切换以满足图像在不同领域如网页设计、印刷、多媒体等方面应用。特效制作在该软件中主要由滤镜、通道及工具综合应用完成。包括图像的特效创意和特效字的制作，如油画、浮雕、石膏画、素描等常用的传统美术技巧都可藉由该软件特效完成。而各种特效字的制作更是很多美术设计师热衷于该软件的研究的原因。2.2.2 Photoshop CS4 的应用Photoshop 的应用领域很广泛的，在图像处理、视频、出版各方面都有涉及。Photoshop 的专长在于图像处理，而不是图形创作；有必要区分一下这两个概念；图像处理是对已有的位图图像进行编辑加工处理以及运用一些特殊效果，其重点在于对图像的处理加工；图形创作软件是按照自己的构思创意，使用矢量图形来设计图形。平面设计是 Photoshop 应用最为广泛的领域，无论是我们正在阅读的图书封面，还是大街上看到的招帖、海报，这些具有丰富图像的平面印刷品，基本上都需要Photoshop 软件对图像进行处理。Photoshop 具有强大的图像修饰功能。利用这些功能，可以快速修复一张破损的老照片，也可以修复人脸上的斑点等缺陷。广告摄影作为一种对视觉要求非常严格的工作，其最终成品往往要经过Photoshop 的修改才能得到满意的效果。影像创意是 Photoshop 的特长，通过 Photoshop 的处理可以将原本风马牛不相及的对象组合在一起，也可以使用“狸猫换太子”的手段使图像发生面目全非的巨大变化。当文字遇到 Photoshop 处理，就已经注定不再普通。利用 Photoshop 可以使文字发生各种各样的变化，并利用这些艺术化处理后的文字为图像增加效果。网络的普及是促使更多人需要掌握 Photoshop 的一个重要原因。因为在制作网页时 Photoshop 是必不可少的网页图像处理软件。东北石油大学本科生毕业设计（论文）7在制作建筑效果图包括许多三维场景时，人物与配景包括场景的颜色常常需要在 Photoshop 中增加并调整。由于 Photoshop 具有良好的绘画与调色功能，许多插画设计制作者往往使用铅笔绘制草稿，然后用 Photoshop 填色的方法来绘制插画。除此之外，近些年来非常流行的像素画也多为设计师使用