（油气井工程专业论文）pdc钻头参数化设计与井底流场数值模拟研究.pdf

a b s t r a c t p d cb i ti sal o n gl i f et o o lt ob r e a ku pr o c k sw i t hh i g hv e l o c i t ya n d s t r o n gs t a b i l i z a t i o n ，w h i c hh a sb e e nr e g a r d e db yd r i l l i n ge n g i n e e r i n gs i n c e 1 9 8 0 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，p d cb i t s c o m p u t e ra i d e dd e s i g n h a ss h o w ng r e a tp o t e n c y , w h i c hc h a n g e st h e t r a d i t i o n a ld r a w i n gm e t h o da n di m p r o v e st h ed e s i g ne f f i c i e n c y i np r e s e n t d i s s e r t a t i o n ，t h ep d cb i t ss t r u c t u r ew a sa n a l y z e d ，as e r i e so fp a r a m e t e r m o d e l sw e r es e tu pa n dt h ep d cb i t sd r a w i n gs y s t e mw a sp r o g r a m m e db y v b a t h ep r o f i l eo fb i t ，t h ec u t t e r s p r o f i l eo fe a c hb l a d ea n dt h er o t a t i n g p r o f i l eo fa l lc u t t e r s ，t h ep r o f i l eo fe x t e r n a lt h r e a dj o i n ta n di n t e r n a lt h r e a d j o i n t ，a n dt h ea s s e m b l a g ep r o f i l e o fp d cb i ta n dj o i n tc o u l db e a u t o m a t i c a l l yd r e wi nt h ep d c b i t sd r a w i n gs y s t e m t h ed r a w i n gs y s t e m ， w i t hg o o di n t e r f a c e sa n dc o n v e n i e n td a t at r a n s f e r , c o u l db ea p p l i e di n p r a c t i c ee f f e c t i v e l y , w h i c hw i l lr e s u l ti ng r e a ti m p r o v e m e n ti nt h ed e s i g n e f f i c i e n c ya n dl a ys o l i df o u n d a t i o n sf o rf u r t h e ro p t i m i z a t i o nd e s i g no fp d c b i t t h ep d cb i t sl i f ea n dw o r k i n ge f f i c i e n c yd e p e n d sa l s oo nt h eb i t s h y d r a u l i cs t r u c t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h r e ed i m e n s i o n a lp h y s i c a l m o d e l so ft h ep d cb i t s f l o wf i e l do nb o s o mh o l ew e r es e tu p ，i nw h i c ht h e c u t t e r sa n dg r o o v e sw e r et a k e ni n t oa c c o u n ti no r d e rt o f i tt h er e a l i t y t h e f l o wf i e l dw a ss t u d i e db ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i ti ss h o w nt h a t t h ef l o wf i e l do nb o t t o mh o l eh a st h ec h a r a c t e r so fc o m p l e xt u r b u l e n c ea n d s w i r l sc o m ei n t ob e i n gn e a rt h ec e n t e ro f t h eb i tb e c a u s eo f t h e j o i n i n gf r o m s e v e r a lj e t s c o m p a r i n gt h ev e r t i c a ln o z z l e s ，t h eo b l i q u en o z z l e sp r o d u c e h i g h e rc r o s sf l o wv e l o c i t ya tt h eb o t t o mo fh o l ea n ds m a l l e rs w i r lr a n g eo n b o t t o mh o l ef l o wf i e l d ，w h i c hi m p r o v et h ec l e a n i n ga n dc o o l i n go ft h ep d c b i t k e yw o r d s ：p d cb i t ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，a u t o m a t i cd r a w i n g ，f l o wf i e l d o nb o t t o mh o l e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盘超熊 u o 与年，月弓日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和 借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 赵狍诊 善罐，堆 幻。每年 箩 月3 日 聊年上月弓日 石油大学( 华东) 硕士论文 h u 舌 第1 章前言 p d c 钻头( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c tb i t ) 是聚晶金剐石复合 片钻头的简称，它是石油钻井工程2 0 世纪8 0 年代的一项重大技术成就。 p d c 钻头、井下马达、随钻测试及计算机在钻井工程中的应用被称为8 0 年代的四大钻井新技术“1 。p d c 钻头的特点是在钻软至中硬地层可以获得 高的机械钻速和钻头进尺：在采用涡轮或井下动力钻具、用较低钻压控 制井斜可以发挥更好的效果。p d c 钻头作为一种钻进速度快、使用寿命 长、工作稳定性好的高效切削破岩工具，从8 0 年代以来一直受到国内外 石油钻井界的高度重视，p d c 钻头的设计水平直接关系到钻井的速度、 质量和成本。随着c a d 技术的迅速发展，用c a d 技术对p d c 钻头进行设 计可以改变传统的手工设计绘图方式和提高经济效益。 国外发达国家中，各大钻头公司自8 0 年代中期就实现了金刚石钻头 的计算机优化设计与自动绘图，大大提高了钻头设计的准确性和有效性， 加快了新产品的开发速度。国内十几家钻头制造厂，多数是照搬或仿造 国外产品设计，不具各自行开发、设计新产品的能力。所引进的两条钻 头生产线，也只是按照国外提供的设计图纸进行加工。目前国内的技术 现状与国外先进水平相比尚存在很大的差距，由于没有科学的设计手段， 只能模仿国外产品或根据反复实验取得的经验对原设计进行修改和完 善。用参数化绘图不仅修改容易，可维护性强，而且可大大提高绘制p d c 钻头的准确性，缩短钻头的设计周期，从而提高设计的效率与设计的水 平，并且为制造加工提供了更为准确的依据，具有较强的实用价值。因 此，研究p d c 钻头的c a d 设计绘图系统对提高p d c 钻头的设计水平具有 重要意义。 另外，在钻进过程中，p d c 钻头的人敌是泥包。一方面，泥包使钻 速降低，另一方面，钻头泥包后，钻井液不能充分冷却p d c 复合片，影 响复合片的寿命。p d c 钻头水力设计的原则是有效地清洗钻头和井底并 冷却p d c 复合片，要达到这一目的，p d c 钻头必须有合理的流道和喷嘴 布置1 2 j 。由于计算机技术的迅猛发展，数值模拟技术以其具有精度高， 成本低，不受实验条件限制的优点而逐渐成为一种研究复杂流动的重要 石油大学( 华东) 硕士论文 手段。对p d c 钻头井底流场进行数值模拟研究，可以为p d c 钻头的水 力结构的设计提供可靠的依据。 本文研究的主要内容包括以下两个方面： 1 研制开发p i ) c 钻头的设计绘图软件包。分析p d c 钻头结构，建立 参数模型，借助v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) 编程绘制p d c 钻 头的设计图。其中包括p d c 钻头的总装图、主视图、俯视图、钻头各刮 刀上的布齿图、切削齿覆盖图、钻头接头图( 内螺纹接头与外螺纹接头) 。 由于p d c 钻头种类较多，从用途上分为全面钻进p d c 钻头和取心p d c 钻头；从布齿方式上分为单齿分布式、刮刀分布式和组合式。而刮刀钻 头又可分为三刮刀、四刮刀、五刮刀、六刮刀、八刮刀等多种形式。论 文的侧重点在于刮刀分布式和单齿分布式p d c 钻头。 研究成果应达到按界面提示输入钻头所需的主参数，这些参数主要 包括刀翼、水眼、冠部形状、切削齿、钢体以及接头等数据，然后就能 输出用户所要求的钻头设计图。在程序中留有数据传输接口，与优化设 计软件输出数据相对接。程序界面友好，操作方便，能实现人机对话、 自动绘图及打印输出。 2 进行p d c 钻头井底流场模拟研究。建立p d c 钻头全尺寸的物理模 型，运用有限元方法进行井底流场的数值模拟，研究其流动规律，对比 分析不同的水力布置在井底流场分布规律和特点，以有利于钻头的清洗、 冷却为标准为p d c 钻头水力结构优化设计提供指导。 2 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 第2 章p d c 钻头与c a d 技术发展概况 2 。1p d c 钻头的发展概况 p d c 钻头是用人造聚晶金刚石切削齿镶焊于钻头胎体或镶嵌于钻头 钢体上而形成的一种新型切削型钻头。它以锋利、耐磨、能自锐的p d c 切削齿作为切削刃，在低钻压下能获得高钻速( 可高于牙轮钻头2 倍以 上) 及高的进尺，适合于软到中硬地层。钻头无活动部件，能承受高钻 速，与井下动力钻具配合使用能取得较高的经济效益，从而成为快速一 一防斜钻井、定向钻井、海洋钻井和井下动力钻井中高效、经济、安全 和优良的钻井工具。 人造金刚石聚晶是1 9 5 9 年9 月8 日由南非德比尔( d eb e e r s ) 公司 首先研制成功的，以后不断发展完善。1 9 7 1 年美国通用电气公司生产出 了p d c 切削齿。1 9 7 3 年美国克里斯坦公司生产出用于石油钻井的p d c 钻 头，并于同年1 1 月1 8 日进行了现场试验。首批钻头的主要缺点是复合 片粘结不牢，切削齿过早脱落。1 9 7 5 年开始工业性研制p d c 钻头，于7 0 年代末获得成功，在现场应用中见到了巨大的经济效益。8 0 年代开始大 面积推广应用p d c 钻头。 我国从8 0 年代中期开始生产p d c 钻头，并在现场应用，取得了良好 的经济技术效益。 2 1 1 复合片的发展概况”“” 复合片是p d c 钻头的切削元件，是在1 5 0 0 c 、6 0 0 0 8 0 0 0 m p a 的压 力下一次烧结而成的复合材料。复合片的上部为聚晶金刚石薄层( o 5 0 6 3 5m ) ，是切削元件锋锐的刃口，硬度及耐磨性极高，但抗冲击韧性 较差；下部为碳化钨基片，其耐磨性仅为金刚石聚晶层的百分之一，所 以在钻进过程中易于自锐，但是抗冲击韧性好，为聚晶金刚石层提供良 好的弹性依托。随着复合片技术的发展，复合片的直径由原来的1 2 7 唧 增大到2 5 1 棚、3 8 1 衄和5 0 8m 。标准的p d c 钻头复合片直径为1 3 4 4 哪。而且金刚石层也有加厚的趋势，已有厚度达2 m m 的p d c 齿。 p d c 钻头复合片中的聚晶金刚石采用钴为粘结剂，由于钴与金刚石之 3 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 问的热膨胀系数相差很大，随温度的升高，钴膨胀引起内应力。当温度 超过7 0 0 时，复合片的抗磨损能力和抗冲击能力明显下降。因此，p d c 钻头使用时应特别注意冷却和清洗。针对复合片热稳定性差这一缺陷， 克里斯坦森公司在复合片的基础上，发展了热稳定聚晶块( t s p ) 和马赛 克切削块。这两种产品的热稳定性虽有所改善，但切削能力较p i ) c 复合 片差。 2 1 2 新型p d c 钻头的发展概况 随着复合片材料合成及钻头设计制造技术的发展，为了满足不同的 需要，目前国内外已生产出多种新型p d c 钻头。 1 大复合片钻头 1 9 8 7 年美国及我国川克钻头厂生产出了大复合片( 直径2 5 4 5 0 8 m m ) p d c 钻头，该钻头适用于软粘性地层，在近海石油钻井的上部 地层得到应用。钻头特点是：高钻速钻进软地层，钻头寿命长，精心设 计的水力系统及大复合片齿能有效地防止钻头泥包。 2 混合齿p d c 钻头 美国海洛克公司生产了混合齿p d c 钻头( h y b r i db i t ) ，它除吸取了 标准p d c 钻头的许多特点外，在p d c 齿的后面增加了一种含天然金刚石 的切削齿，作为副切削机构。这种混合齿钻头钻进非均质地层取得了成 功。另外，国内还生产了马赛克与p d c 复合片的混合齿钻头，该钻头能 成功地钻进含有研磨性夹层的页岩“1 。针对象胜利油田多夹层地层这样 的特点，还生产了p d c 复合片与t s p 的混合布齿钻头，其中主切削件是 p d c 切削齿，副切削件是大块的t s p ，t s p 布置在p d c 切削齿后面，且出 露高度适当低于p d c 切削齿。这种钻头的特点是在含有硬夹层的地层中 钻进时，有利于保持切削齿连续吃入地层，即保持了机械钴速的连续不 变性。 3 环爪齿p d c 钻头 普通p d c 钻头复合片上部的聚晶金刚石层与下部的碳化钨基片是面 接触，而这种环爪齿上部的聚品金刚石层带有环形爪，下部的碳化钨基 片有环形槽，二者通过环形爪和槽接触，增大接触面积，提高了耐冲击 强度延长了钻头的使用寿命。白劳德公司( b a r o i dc o m p a n y ) 生产了 4 石油人学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 这种钻头，据报导该种钻头与同类普通p d c 钻头相比，平均单只进尺提 高1 4 2 ，机械钻速提高4 5 8 ，每米成本降低2 1 9 。 4 抗回旋p d c 钻头”“1 室内实验和现场观察结果认为，冲击载荷造成的p i ) c 切削齿破裂也 是p d c 钻头加速损坏的重要原因。钻头钻进时的回旋现象引起钻头的振 动，从而导致p d c 切削齿过早损坏而失去钻进能力。产生回旋现象的原 因是：不平衡切削力把钻头推向井壁，造成一个新的摩擦力。若这个摩 擦力足够大，使得钻头与井壁之间无相对滑动，那么，钻头此时的瞬时 旋转中心已不再是钻头的几何中心，而是钻头与井壁的接触部位。多数 情况下处于保径处钻头回旋一旦发生则很难停止，原因是钻头回旋的 同时产生一个离心力，把钻头进一步推向井壁，使之产生更大的摩擦， 从而加剧了钻头的回旋运动。 美国海洛克公司已生产出抗回旋p d c 钻头，其特点是钻头保径部分 的一侧孕镶金刚石，但金刚石不出露，保径部分的另一侧是常规保径。 这种钻头钻出的井眼直径与钻头直径相同，从而抵抗回旋。 目前，国内外还生产出了双心p d c 钻头、侧钻p d c 钻头及定向井p d c 钻头等特殊用途的p d c 钻头。 21 3p d o 钻头的c a d 绘图应用概况 国外发达国家中，许多大钻头公司自8 0 年代中期就实现了金刚石钻 头的计算机优化设计与自动绘图，大大提高了钻头设计的准确性和有效 性，加快了新产品的开发速度。在布齿设计方面，早己实现了计算机化， 他们借助“计算机辅助绘图”系统确定p d c 切削齿的数量、密度和方向。 而且各大石油工具公司，如h u g h e s 、c h r i s t e n s c n 、h y c a l o g 、d b s 等， 投入了大量的人力和物力开展金刚石钻头的设计理论和方法的研究，开 发出自己的计算机优化设计系统软件，使钻头工作性能有了大幅度提高。 而国内在这方面尽管也作了一些探索，但尚存在一定的差距。据调 研，目前，李树盛、侯季康等人( 1 9 9 7 ) 进行了p d c 钻头的c a d 设计软 件的开发。 该套软件采用v i s u mb a s i c 、f o r t r a n 和a u t o l i s p 等多种计算机语 言，以及a u t o c a d 绘图软件包等基础软件，经过二次开发实现p d c 钻头 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 设计过程的电算化。它全部采用参数式输入方式绘图。几何结构参数均 在a u t o c a d 系统的图形状态下输入，a u t o c a d 系统再根据输入参数在屏 幕上绘出图形。 该软件需要的硬件配置是：4 8 6 系列微机、4 m b 内存、绘图机：基础 软件有：m i c r o s o f tw i n d o w s 3 1 、v i s u a lb a s i c 3 0 、a u t o c a d l o 0 版本； f o r t r t a n 以及f o r t r a n 与a u t o c a d 接口软件。 就目前报道来看，该软件实现了界面操作，全屏幕修改参数。但是 在相关的文献中并未体现软件的运行结果，并且从有限的报道中也可以 看出其中有很多功能没能实现：该软件没有实现复杂的钻头俯视图的绘 制，就不能准确反映钻头的信息；钻头结构形状单一，不能满足实际的 需要；标注是图形中一个非常重要的因素，是标识图形对象实际尺寸的 依据，而它未涉及零件及组装图的标注，没有标注的图纸对生产加工是 不起作用的；标题栏、明细表和图框都未实现；此外，从该软件的软硬 件基础来看，由于近几年计算机硬件和软件迅猛发展，系统发展为 w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s x p ，a u t o c a d 软件已发展到a u t o c a d 2 0 0 0 及 a u t o c a d 2 0 0 2 版本，并且本身具备二次开发功能，该p d c 钻头的c a d 系 统软件已明显暴露出其在应用上的不足。因此，p d c 钻头c a d 绘图系统 也迫切需要开发成为适合现代要求的专业软件。 2 1 4p d c 钻头的水力设计发展概况一1 自p d c 钻头问世以来，在水力结构上首先借鉴了牙轮钻头和金刚石 钻头的水力结构方式，采用喷嘴和流道结合的形式。但对所采用的喷嘴 形状、个数、布置方位和流道形状等还没有一个确切的理论依据。 1 9 8 1 年，d a v eg l o w k a 首先发表了他在美国桑迪安实验室通过染色 液的方法和示踪颗粒高速摄影的方法对三种不同的水力结构的p d c 钻头 流场描述和水力结构优化的结果。他的研究表明，用示踪颗粒高速摄影 的方法可以很好地发现井底滞流区、低流速区和计算井底液流速度：喷 嘴组合的布置对p d c 钻头切削齿的清洗和冷却效果有很大的影响；在p d c 钻头面上安装的喷嘴也不是越多越好。 1 9 8 2 年，k n o w l t o n 从改善p d c 钻头井底漫流速度包络线和防止钻头 水眼堵塞出发，提出了采用矩形出口喷嘴的p d c 钻头，并且通过室内实 6 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 验和现场验证，证明在相同机械结构条件下，只改变喷嘴出口几何形状 就可以使机械钻速有大幅度提高。 1 9 8 5 年，r c r o u s e 和r c h i a 发表了用数值计算方法求解三维不 可压缩流体n s 方程得到的回转体式p d c 钻头的流场模拟结果，开辟了 用数值计算方法研究p d c 钻头井底流场的先例。计算了6 种钻头的速度 矢量场和压力场，并指出通过在钻头表面采用限流块和合理调整喷嘴的 倾斜角度和位置，可以改善钻头面上的液流分布，增加清洗和冷却效果， 降低钻头冲蚀。 1 9 8 8 年，法国石油公司的p b i s s o n 对鱼尾式和刀翼式p d c 钻头的 水力结构优化进行了实验研究。他主要采用了涂漆实验和示踪颗粒高速 摄影的方法，对钻头面上以及钻头与井底之间的液流状态进行了研究， 定性地揭示了流体在井底的各种不同的流动结构，包括漩涡，冲击点和 回流。指出流体出口类型、钻头轮廓和流道截面形状是产生这些流动的 原因。在钻头面上的冲击点通常出现在大尺寸流道内和垂直安放的喷嘴 附近，通过调整喷嘴角度可以避免或减轻对钻头底面的冲蚀。 1 9 9 0 年，i k i n g 用有限元法通过解三维不可压、单向流牛顿流体的 紊流n s 方程，对三翼式p d c 钻头的井底流场进行了数值计算，并通过 示踪颗粒高速摄影流动显示对计算结果进行实验验证，揭示了流量、喷 嘴尺寸、位置和倾角等对流动特性的影响。得出：( 1 ) 喷嘴位置靠近切 削刃工作面可产生沿有利于工作刃清洗的循环：( 2 ) 沿工作刃设置一个 3 0 。的喷嘴倾角比l l 。倾角更好，可以产生更高的液流线速度；( 3 ) 喷 嘴的指向应该是平行于切削齿工作面，而不是平行于流道轴线，因为平 行于轴线的喷嘴指向将射流的作用限制在流道的中心部位，这样对避免 钻头泥包不利；( 4 ) 流量的变化没有改变井底的流动状态，只是各点的 速度值不同：( 5 ) 弯曲刀翼可以避免位于刀翼外侧附近的低流速区，使 用弯曲刀翼可以改进刀翼边缘的清洗。从以上研究中可以看出，k i n g 考 虑的因素比较全面，提出了从局部模拟向整体钻头推广的简化方法。 1 9 9 0 年，d g a r c i a g a y i t o 等在t u i s a 大学的全尺寸钻机上用井底 测压法对9 只不同的尺寸结构的p i ) c 钻头的井底压力场进行了实验研究， 研究结论指出：通过减小喷嘴总的过流面积而增大水力作用，对井底清 7 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 岩比增大排量起的作用更为有效；喷嘴位置对于清洗井底岩屑及提高机 械钻速有重要影响。 国内对p d c 钻头井底流场以及水力结构优化设计的研究还较少。石 油大学的管志川教授用大涡模拟方法在忽略钻头切削齿的条件下，对倾 斜及多喷嘴射流撞击井底所产生的流场用编程的方法进行了三维数值模 拟。 从目前国内外对p d c 钻头流场所做研究来看，所存在的最大问题是 对p d c 钻头的真实物理模型简化太多，省略了切削齿和流道对井底流动 的影响，因而对p d c 钻头的设计与使用缺乏切实有效的指导意义。随着 近几年计算机软硬件技术以及计算流体力学的发展，目前已具备对复杂 结构进行详尽研究的可能。 2 2c a d 技术概述 计算机辅助设计( c a d ) 技术是作为一门应用学科而产生和发展起 来的，是计算机应用的一大分支，其作用是帮助设计人员进行工程或产 品设计，c a d 技术产生于5 0 年代，现已达到实用并趋于成熟。 2 2 1c a d 技术的发展简史o ”。“ c a d 技术是在计算机软、硬件基础上发展起来的，它的发展过程与 计算机的发展过程密切相关。自从1 9 4 5 年世界上第一台计算机诞生以 来，计算机技术经历了几个不同的发展阶段，相应地，c a d 技术也经历 了几个阶段： 1 初步探索阶段( 5 0 年代) 由于这一阶段使用的是真空管计算机，运算能力和存储能力都很低， 只能使用机器语言，进行一些简单的计算，但毕竟实现了过去人脑不能 够实现的计算功能。1 9 5 3 1 9 5 4 年，美国通用电气公司首先使用计算机 来设计变压器，并进而编制电动机、发动机及齿轮箱的设计计算程序。 欧洲应用计算机辅助设计开始于1 9 5 6 年，日本开始于1 9 5 9 年。这一阶 段只能使用机器语言，所以只有少数专家能够使用。尽管如此，这些专 家的工作还是为c a d 技术的发展作了初步的、有益的探索，开创了c a d 技术的先河。 8 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 2 成长发展阶段( 6 0 年代) 在此阶段，晶体管计算机取代了真空管计算机，计算功能大幅度提 高，各种高级程序语言相继出现。在数据处理方面，出现了文件系统， 它是数据管理的雏形。用户的数据文件主要存储在磁带上，但只适用于 成批处理，不能用于实时访问。6 0 年代后期出现了直接访问存储器一磁 鼓和磁带，文件系统性能有了很大改善。6 0 年代研制成功的图形显示系 统解决了图形处理的问题，与此同时，自动绘图机的出现也解决了图形 输出的问题。 计算机软、硬件的发展，使c a d 技术在这一阶段也得到了很大的发 展。具有里程碑意义的是1 9 6 2 年美国麻省理工学院研究生i e s u t h e r l a n d 发表的博士论文“s k e t c h p a d ：人机图形通讯系统”，论文提出了交互 图形生成技术的基本原理。在他研究的s k e t c h p a d 系统中，可以用光 笔在图形显示器上实现选择、定位、修改和绘图的交互功能，这一系统 还引入分层存储符号和图素的数据结构，因而一幅完整的图可以通过分 层调用若干子图来产生。s k e t c h p a d 系统被公认为是交互图形生成技 术的奠基石。 这一时期，c a d 技术已推广应用于大型电站锅炉、汽车、航空、核 反应堆热交换器、动力机械和化工等成套设备的设计中。例如美国通用 汽车公司研制的d a c i 系统，在大型计算机上开发了作为计算机辅助汽 车设计的软件，美国c d c 公司也开发了作为商品出售的c a d 系统。这 一阶段c a d 系统规模庞大，价格昂贵，只有少数大型企业或重要的研究 机构才能应用这一技术，但由于高级语言的出现，c a d 技术已不再仅仅 为少数专家所掌握，而逐步发展到了广大的工程技术人员中。 3 技术商品化阶段( 7 0 年代) 7 0 年代后，大规模集成电路技术的应用使计算机技术的发展产生了 一次飞跃，计算机速度可达每秒数亿次，内存容量也大大提高。同时， 数据处理技术已从文件系统发展到数据系统，对数据的管理日趋完善， 计算机辅助过程中所需的大量数据实现了检索、存储、处理的自动化。 此外，图形处理软、硬件技术的进一步发展和质量的提高，使人机交互 图形生成技术趋于完善，在显示器上可显示任意图形，并使图像在显示 9 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 屏上移动、旋转、缩放和进行即时修改和处理。人机图形交互设备己由 操纵杆、鼠标器、图形输入扳、数字化仪等取代使用不便、易于损坏的 光笔。而光栅扫描图形显示器的出现使图形更加形象、逼真。计算机控 制的精密绘图机能高速地输出高质量的生产图纸，并能对图形进行缩放 处理。可以说，图形信息处理的一些关键问题已基本得到解决。与此同 时，与c a d 息息相关的各种现代设计计算和分析方法，如有限元、边界 元、数值积分、优化设计、可靠性设计、系统工程等，也得到了极大的 发展和完善。 由于计算机软件技术及相关学科的迅速发展，c a d 技术逐步走向成 熟，达到完全实用的水平。以小型计算机为基础的c a d 系统开始进入市 场并成为主流，出现了一批专门经营c a d 系统的公司，例如美国的 c o m p u t e r v i s i o n 、i n t e r g r a p h 、c a l m a 、a p p l i c a t i o n 等。 4 快速发展阶段( 8 0 年代) 3 2 位超级微机工作站及微型计算机的出现对c a d 技术的普及起到 了很大的作用。超级小型机是在分时操作系统的管理下工作的，而3 2 位 超级微机工作站是一个用户使用一台计算机，在交互操作时有响应时间 短的优点、因而特别适用于作辅助设计之用。同时，工作站联网后可共 享资源，有利于减少资源，因而以超级微机工作站为基础的c a d 系统得 到迅速发展。 5 普及应用阶段( 9 0 年代至今) 9 0 年代以来，p c 机在运算速度、内存、外存等几个关键因素上与 小型工作站都已相差无几，因而很多c a d 系统开始开辟p c 机市场。由 于p c 机的市场大大超过了工作站，因而以p c 机为基础c a d 系统很快 得到了普及应用。同时，随着p c 机软、硬件技术的不断提高，以其为 基础的c a d 功能也将得到不断提高。 2 2 2c a d 技术的应用 c a d 技术之所以能有如此迅速的发展，是与其自身所特有的一些优 异功能，并由此带来的明显经济效益与社会效益是分不开的。从总体上 看，c a d 技术可以帮助设计人员扩展其创造性思维的空问，借助所谓的 智能c a d 系统，通过人工智能、专家系统等技术支持，以弥补设计人员 1 0 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 个人经验的不足：可以帮助设计人员按照现代设计理论进行大量的复杂 的运算，求出最佳设计参数，并对设计方案进行最优化：可以把设计师 正在构思的新建筑、新产品，以虚拟现实或三维实体逼真的图像形式展 现在用户面前，以供评审与选择：可以在计算机屏幕上对设计的原理、 结构和特性进行动态仿真试验，而无需制造模型样机：可以对已决定的 设计方案自动进行二维、三维的绘图，编制工程旄工、报价和产品加工 制造用的全部设计资料，并可同时生成生产制造所需的各项工艺资料， 如模具设计、数据机床加工程序等；在设计过程中，通过数据库，图形 库等，可以为设计人员提供大量的设计参考资料，随时调用，方便又高 效，所以这些c a d 优异功能的存在，绝非是过去一人一笔一划地进行传 统式的伏案设计所能比拟的，它所带来的设计工作的革命性变化，不只 是量的跃升，而且是质的飞跃。它使设计人员完全从费时、重复、繁琐 的设计工作中摆脱出来，更好地发挥其创造性思维的作用：它使整个设 计、生产、建设的劳动生产率大为提高，推动了整个社会的加速发展。 我国c a d 技术的研究和开发工作起步相对较晚，与发达国家相比还 有很大差距。当今世界工业产品的竞争，归根结底是设计手段和设计水 平的竞争，发展中国家的工业产品要在世界市场上占有一席之地，必须 大力发展c a d 技术。 2 3 本章小结 1 近2 0 年来，p d c 钻头无论是在切削材料质量上还是在种类、设 计理论上，都有了很大的进步，展现出了良好的发展前景。 2 将c a d 技术用于p d c 钻头设计，实现参数化设计绘图，是提高钻 头设计水平的重要途径。 3 数值模拟技术由于其具有精度高，成本低，不受实验条件限制的 优点而逐渐成为一种研究射流的重要手段。 4 研究者做了很多工作，但是仍然存在一些不足： ( 1 ) p d c 钻头的c a d 绘图软件方面做了一些有益的探索，然而在 相关的文献中并未体现软件的运行结果，并且从有限的报道中也可以看 出许多功能并没有实现： 石油大学( 华东) 硕士论文p d c 钻头与c a d 技术发展概况 ( a ) 钻头结构形状单一，不能满足实际的需要； r b ) 钻头俯视图是钻头图不可缺少的一部分，由于其非常复杂、绘制 困难，前人没有在这方面进行过研究，这样就不能准确表达钻头信息； ( c ) 标注是图形中一个非常重要的因素，而零件图及组装图的标注均 未涉及，没有标注的图纸对生产加工并不起作用。 ( 2 ) p d c 钻头井底流场的研究很少，即使有所研究，也是进行了 大量的简化，离真实的情况相差太大，因而对p d c 钻头的设计与使用缺 乏切实有效的指导意义。 1 2 石油大学( 华东) 硕士论文参数化设计基本理论 第3 章参数化设计基本理论 在传统的c a d 设计中，绘图工作量要占总工作量的6 0 左右。随 着c a d 技术和产品的日趋完善，在各行各业都得到了广泛应用。参数化 设计是提高绘图效率的一种有效手段，参数化设计技术已成为先进的智 能化、集成化c a d 系统的核心技术之一，也是当前c a d 技术的研究热 点之一。本文通过对比参数化设计与传统设计方法，总结出参数化设计 的优点，对参数化设计的方法进行介绍，根据p d c 钻头的结构特点，对 具体的参数化方法进行优选。 3 1 参数化设计基本原理 参数化设计是以一种全新的思维方式来进行产品的创建和修改设计 的方法。它用约束来表达产品几何模型的形状特征，定义一组参数以控 制设计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型，并能方便地创建 一系列在形状或功能上相似的设计方案。这样，设计人员在更新或修改 图形时，无需再为保持约束条件而操心，可以真正按照自己的意愿动态 地、创造性地进行新产品设计【l ”。同一系列产品的第二次设计可直接通 过修改第一次设计来实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响 产品的整个开发周期，设计参数可来自于其它系统。 支持参数化设计的方法有很多种，但是它们的基本原理是相同的， 其原理示意图如图3 1 所示。 图3 - 1 参数化设计原理示意图 用户在设计时首先输入拓扑和标注模式。拓扑描述定义了几何元素 石油大学( 华东) 硕士论文参数化设计基本理论 的联接关系，而标注模式则指定了约束关系。这些信息只需要在初始设 计时输入，该设计阶段称为基本设计。在已知拓扑描述、标注模式相应 的标注值的基础上，利用变量计算方法，可以生成所有的变量。参数化 设计的不同方法的区别就在于不同的拓扑描述表示、不同的标注模式表 示、以及不同的变量计算方法。 在工程绘图和设计中，通常并不是所有的几何约束都是显式指定。 通常不作为标注模式的约束，如： 平行线切线共线 垂直线水平线竖直线 这些称为隐式约束( i m p l i c i tc o n s t r a i n t s ) 。因此。约束集合既包 括显示约束又包括隐式约束。在一个参数化设计系统中，必须维持约束 集合的完整性和一致性，因此在设计过程中给用户以清楚明了的约束反 馈是非常重要的。 3 2 参数化设计与传统设计比较 3 2 1 传统绘图系统的设计方法及其不足 传统的工程绘图系统主要是通过设计人员的计算与交互操作确定图 纸中几何元素的位置和尺寸。计算机接受设计人员的命令，精确地记录 下每一个长度、角度或半径、直径等，帮助设计人员存贮图纸信息，驱 动绘图设备等。 从设计人员使用绘图系统的角度来看，传统的工程绘图系统过分强 调了设计过程的几何尺寸标定阶段，而往往忽略了更为重要的几何形状 确立阶段。在设计过程的一开始，计算机就要求设计人员给出准确的位 置、精确的尺寸值，容不得半点含糊。相反，对于一个真正的“设计”， 精确的尺寸从来不可能在设计的一开始就确定，总要经过多次的修改、 完善，最后才能完成。由此可以看出，传统的工程绘图系统所提供的功 能并不比一张纸、一支笔、一把尺子更多。 传统绘图主要的不足之处表现在以下几个方面【1 7 】： 1 不支持产品完整的设计过程 产品的设计过程包括产品的功能设计、概念设计、详细设计等阶段， 1 4 石油大学( 华东) 硕士论文参数化设计基本理论 而传统c a d 系统是基于几何模型设计，所能处理的只是图形元素的几何 信息，系统仅仅记录了几何形体的精确坐标信息，而大量丰富的具有实 际工程意义的几何拓扑和尺寸约束信息均被丢失，其应用不能支持产品 设计过程的完整阶段，只能局限于产品的详细设计阶段。 2 不支持产品中不确定的信息 因为产品的设计是一个产品数据逐步求精的过程，因此在进入详细 设计之前，产品信息往往是不精确的、不完整的或不一致的信息，而传 统的系统中无法表达并处理这类信息，因而难以支持由上向下的设计过 程。 3 无法很好地支持设计的维护工作 传统c a d 系统只记录了产品的几何坐标信息。这样一来，即使是一 个很小的设计修改也往往会引起整个设计模型的删除或重做，导致放弃 以前大量设计工作，这不仅效率低而且难以保持设计约束的前后一致性。 4 无法支持并行设计过程 一个产品的设计过程，需要多个设计人员多方面、多层次、多阶段 设计活动的参与，这就要求从一开始就考虑到产品从概念设计到最终消 亡的整个生命周期的所有因素，强调设计过程的并行协调。传统c a d 系 统只支持顺序的设计方法，无法支持并行设计过程。 3 2 2 参数化设计的优点 参数化设计是通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，或修改已 定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图 形的驱动，参数驱动的方式便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时无 需准确的定位和定形，只需勾画出大致轮廓，然后通过修改标注的尺寸 值来达到最终的形状，或者只需将零件的关键部分定义为某个参数，通 过对参数的修改实现对产品的设计和优化。参数化设计极大地改善了图 形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造型、 装配、机构仿真和优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现出很高 的应用价值1 。 参数化设计系统的两个主耍优点是： ( 1 ) 能够使工程设计人员不需考虑细节而尽快草拟零件图，精确图形 石油大学( 华东) 硕士论文参数化设计基本理论 由系统自动生成； ( 2 ) 可以通过变动某些约束参数而不必运行产品设计的全过程进行更 新设计。 这两个优点使得该类系统能够较大幅度的提高产品初始设计、更新 设计的效率，因此成为产品设计的有力工具。 3 3 参数化设计方法 参数化技术的基本方法从基于约束的参数化技术的实施机理来看， 目前主要有两大类型：人工交互参数化方法和程序参数化方法 2 6 1 。介绍 如下： 3 3 1 人工交互参数化方法 1 基于几何约束的变量几何法 基于几何约束的变量几何法将几何模型定义成一系列特征点，并以 特征点坐标为变量形成一个非线性约束方程组。当约束发生变化时，利 用迭代方法求解方程组，就可以求出一系列的特征点，从而输出新的几 何模型。 将所有特征点的未知分量写成矢量： 工= i x l z 2 ，屯，j 柑x n _ i ，“j ， ( 3 1 ) 疗= 3 n ，表示形体的总自由度，= 特征点个数。 将已知的尺寸标注约束方程的值也写成矢量： d = d l , d 2 ，以j 。 ( 3 - 2 ) 变量几何法的一个实例就是求解以下一组非线性方程组，用一般形 式表示：f ( j ，孑) = 0 i = 1 , 2 ，n( 3 3 ) 约束方程中有6 个约束来阻止刚体的平移和旋转，剩下的( n - 6 ) 个约 束方程取决于具体的尺寸标注方法。只有当尺寸标注合理，既无多余的 重复，又无疏漏时，方程才有唯一解。求解非线性方程组的最基本方法 是牛顿迭代法，即x n + l = x n p g ”) r 1 ，g ”) ( 3 。4 ) 1 6 石油大学( 华东) 硕士论文参数化设计基本理论 或了越：f了= 。z ： 称作雅可比矩阵 其中：兀= ，f = 1 ，n ；= 1 ，胛 卿j 越= 缸。，缸：，缸。 r 表示各个自由度的少量位移 f = _ 巧，一五，一e 7 ，表示方程组的残余数。 经过反复迭代，直至i 氲l 占，就得到满足方程组的解。当约束方程 数与几何矢量自由度不等时，雅可比矩阵在结构上是奇异的。为了保证 雅可比矩阵非奇异，有效的尺寸标注方案是非常必要的。 该方法概念清楚，适应能力强，但是方程组整体求解的效率低，处 理过程的几何直观性差，非线性方程组求解困难，难以避免数值求解稳 定性差的缺点，方程组整体求解的规模和速度难以控制，且迭代初值的 选取在很大程度上也影响算法的成功。 2 基于几何推理的人工智能方法f 2 0 】 这类方法大约从1 9 8 5 年开始酝酿，该方法的基本思想是将约束关系 用一阶逻辑谓词来描述并存入事实库，通过推理机的作用，从规则库中选 用规则并应用于现有事实、推理的结论作为新的事实、推理史记录所有 成功的规则应用并提供重构过程，从而构造出整个几何体。推理示意图如 图3 2 所示： 图3 - 2 几何推理示意图 事实库来自图形库的构件对象，包含其几何模型的知识，初始内容 1 7 石油大学( 华东) 硕士论文参数化设计基本理论 为给定的约束，通过规则推理出的事实不断累加。规则库收集所有规则， 包含模型的所有静态知识，通常仅有一个规