（机械设计及理论专业论文）基于solidworks的螺杆钻具模块化设计研究.pdf

摘要 螺杆钻具是石油工业重要的井下作业工具，由于井下的工况条件复杂所以螺 杆钻具的设计形式也会随着工况条件的变化而变化。本系统是针对螺杆钻具设计 工作的变化性较大这一特点开发的综合设计系统，基于s o l i d w o r k s 三维设计软件 强大的a p i 函数，应用v i s u a lc + + 对s o l i d w o r k s 进行二次开发，螺杆钻具综合 开发系统主要创新及内容概要如下： 1 、结合了模块化建模技术，对螺杆钻具的整体结构以功能为依据进行了模 块划分，对螺杆钻具的零部件进行归类，使产品组合方便而且多样，大大简化了 设计流程； 2 、在用s o l i d w o r k s 进行实体建模中运用自顶向下的设计方法，从产品的整 体框架着手进行设计，对相关的零部件设定约束关联，这样使得在产品设计过程 中的任何修改都会使相关联的零部件产生相应的变动，避免了重复设计，大大提 高了设计效率； 3 、本系统是基于s o l i d w o r k s 的二次开发系统，但区别于当今较流行的 s o l i d w o r k s 二次开发模式的是，本系统是独立于s o l i d w o r k s 三维软件外的独立可 执行程序( e x e ) ，在对零件进行设计规划的同时可以完成相应的一些数据存储 和管理工作，是集设计和管理于一体的综合设计系统。 关键词：螺杆钻具模块化设计自顶向下设计二次开发 a b s t r a c t d o w n - h o l em o t o ri sa n i m p o r t a n tt o o l i nt h ep e t r o l e u mi n d u s t r y 舡l h e w o r k i n g c o n d i t i o nu n d e r g r o u n di sv e r yc o m p l e x ，w i t ht h ew o r k i n g c o n d i t i o nc h a n g e d ， t h ed e s i g no fd o w n d o l em o t o rw i l lb ec h a n g e d t h ei n t e g r a t e dd e s i g n s y s t e mi s d e s i g nf o rt h ed o w n d o l es c r e wd r i l l d e s i g nw h i c hh a sm u c hv a r i a b i l i t y b a s e do nt h e p o w e r f u la p if u n c t i o n so fs o l i d w o r k s3 dd e s i g ns o f t w a r e ，m a k et h et h r e ep a r t y d e v e l o p m e n to ns o l i d w o r k sw i t hv c + + d o w n h o l em o t o ri n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t s y s t e mi n n o v a t i o na n dt h em a i nc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t h c o m b i n et h em o d u l a r m o d e l i n gt e c h n o l o g yt h es y s t e m c o m p a r t m e n t a l i z et h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fd o w n d o l em o t o rt os e v e r a lm o d u l e sw h i c h b a s e do nt h ef u n c t i o n so fd r i l l ，c l a s st h ec o m p o n e n t so fd o w n d o l em o t o r , m a k et h e c o m b i n a t i o no fp r o d u c t i o nc o n v e n i e n c ea n dm u l t i p l i c i t y , s i m p l i f yt h ed e s i g np r o c e s s g r e a t l y ( 2 ) u s et h et o p d o w nd e s i g nm e t h o dt om o d e l i n gi ns o l i d w o r k s ，l a u n c ho n t h eo v e r a l l f r a m eo f p r o d u c t i o nt od e s i g n ，s e tt h er e l a t i v ec o m p o n e n t ss o m e c o n s t r a i n t st h a t a n ym o d i f i c a t i o ni ns o m ec o m p o n e n t sd u r i n gt h ed e s i g nt h a tb r i n g s o m ec h a n g e so fo t h e rr e l a t i v ec o m p o n e n t s ，i m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c yg r e a t l y ( 3 ) t h i ss y s t e mi s t h et h r e e p a r t yd e v e l o p m e n ts y s t e mw h i c hb a s e do n s o l i d w o r k s ，b u ti ti sd i f f e r e n tf r o mt h em a i n s t r e a mm o d eo ft h es e c o n dd e v e l o p m e n t o fs o l i d w o r k si st h a tt h e s y s t e m i sas t a n d a l o n e a p p l i c a t i o n ( e x e ) w h i c hi s i n d e p e n d e n to fs o l i d w o r k s ，n o tt h ea d d - i n ( d 1 1 ) o fi t i tc a r ld e s i g nt h ep r o d u c t i o na n d a tt h es a m et i m ec a nf i n i s ht h es a v i n gd a t aw o r k sa n ds o m em a n a g i n gw o r k s i ti st h e i n t e g r a t e ds y s t e mw h i c hc a nf i n i s ht h ed e s i g nt a s k sa n dm a n a g e m e n tt a s k s k e y w o r d s ：d o w n h o l e m o t o r , m o d u l a r d e s i g n ，t o p d o w n d e s i g n ，t h r e e p a r t y d e v e l o p m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天 津理工大学或其他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己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：马全杠签字日期：h ，矿年 月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位 论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弓仓朱导师签名：断枨 签字日期：w 哆年，月，弓日签字日期：p 。侔月，妇 第一章绪论 第一章绪论 螺杆钻具，又称定排量马达( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tm o r t o r ，简写p d m ) ，是 一种容积式井下动力钻具【l j 。它作为一种重要的新型井下动力钻具，在油气钻井、 地质勘探、煤层气开采、建筑管道施工和国防工程等方面得到广泛的应用。部 分螺杆钻具常用于油阳定向井、水平井、丛式井钻井工艺，它具有转盘钻井和涡 轮钻钻井无法比拟的许多优点，钻井作业在长直井段的钻进中采用螺杆钻具，可 以提高机械钻速、降低钻井综合成本，创造出极大的经济效益。在定向井、水平 井以及其他复杂钻井作业中采用导向螺杆钻具，可以安全、准确和快速地完成。 因此螺杆钻具常用于定向井、丛式井、大位移井、长、中、短半径水平井和分支 井中。在油田修井作业中也常使用螺杆钻具，是钻桥塞、水泥塞、树脂塞及大修、 侧钻的一种理想井下工具。它由清水作为动力源，通过油套空间循环，使井下马 达旋转带动钻头转动，以达到钻井的目的。在工作过程中，管柱不转动。螺杆钻 具与转盘、方钻杆钻进系统相比，具有地面设施简单、操作简便、成本低廉等突 出优点。目前国内外油f f j 钻井修井作业中螺杆钻具己成为不可缺少的井下工具之 一。因此最近2 0 年，螺杆钻具的研究应用得到了很大的发展。 1 1 螺杆钻具的发展历程和现状 1 1 1 螺杆钻具的发展历程 2 0 世纪3 0 年代，法国工程师r e n e m o n e a u 根据阿基米德螺旋泵的研究成果 设计出单螺杆泵。1 9 5 5 年，美国戴纳公司在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆 钻具d y n ad r i l l ，1 9 6 2 年用于生产，并于1 9 6 8 年起开始出售商品，一时占领世界 市场。美国不同厂家生产的有迪纳钻具( ( s m k h 公司) 、纳维钻具( ( c h r i s t e n s e n 公 司1 和波斯钻具，其基本原理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数略 有不同。至8 0 年代中期，美国的迪纳钻具己发展成两个系列1 0 种规格，纳维钻 具有两个系列1 4 种规格。随着配套部件质量的提高，螺杆钻具工作寿命从原来 的3 0 - 4 0 h ，提高到l o o h 以上，1 9 8 0 年在美国俄克拉荷马州创造了连续运转4 2 9 h 的新记录。前苏联1 9 6 6 年开始研制螺杆钻具，到1 9 8 4 年螺杆钻具累计进尺达 1 5 0 x 1 04m ，1 9 9 1 年螺杆钻具钻进量占全苏工作量的7 5 。近2 0 年来，随着定 向井、水平井、分支水平井的大量涌现，螺杆钻具的发展也产生了质的飞跃。在 美国和西欧，几乎9 0 的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平井段都是由 螺杆钻具钻成，导向钻井系统己成了定向井中公认的标准化专用工具。据有关资 料显示，美国生产的螺杆钻具是当前生产应用中最大的螺杆钻具，其最大直径为 第一章绪论 2 9 8 4 m m ，钴具长度为1 0 m ，输出功率为1 8 8 k w 。 由于螺杆钻具工作环境特殊，使用寿命相对较短，随着钻井技术的飞速发展， 西方各国在发展并下动力的过程中，大量采用新工艺和新技术出现了许多新型的 专用螺杆钻具，使用寿命均有不问程度的提高。美国螺杆钻具总体使用寿命一般 2 0 0 - 3 0 0 h ；螺杆钻具最高使用寿命为美国n a v i d r i l l 螺杆钻具，推力轴承使用 寿命为2 0 0 h ；驱动轴寿命为2 0 0 h ；径向轴承寿命为2 8 0 3 0 0 h ；万向轴寿命为碡 5 0 0 h ；转子与定子寿命为4 0 0 7 0 0 h 。n a v i d r i l l 小直径螺杆钻具，采用粉末冶 金人造聚晶金刚石止推轴承，使用寿命为2 5 0 3 0 0 h 。美图d y n a l 0 0 0 系列螺杆 钻具最高使用寿命为4 2 9 - 5 4 0 h 。原苏联螺杆铺具使用寿命为1 5 5 , - 一2 9 9 h i 羽。 我图自7 0 年代末8 0 年代初就开始使用引进的迪纳钻具和维纳钻具，来研制多 头螺秆钴其。通过引进技术并结合我国酶开发簏力，我凰的螺秆钻具生产在8 0 年代中后期形成定规模。1 9 8 2 年我国推出了第一台3 头螺杆钻具。目前，常 规螺杆钻具己规格化系列化，各主要厂家如大港、北京、德州、潍坊的产品己覆 盖国内绝大部分市场。某些厂家也着手研制小径螺杆、铰接螺杆、中空螺秆等一 些专用产品，并取得一定的成果。 国内的水平井钻井装备发展迅速，适用于大、中半径水平井钻井工艺的各 种单弯、双弯钻具以及导向马达，在国内几个主要生产厂家都具备了相当高的设 计和制造能力，厂家可根据油田用户的不同需要不仅可以提供不同弯角和造斜率 的弯壳体钻具，丽且能够生产可调角度的双弯导囱马达，并配备各种形状的扶正 器和弯接头供井队选择l 引。 对不同地域的油圈，井队可根据地温情况选择使用常温螺杆钻具和高温螺杆 钻具。国产钻鼹最近几年得到了大幅度的发展，国内油田除进口少量国外钻具外， 主要靠国产螺杆钻具来完成定向井和水平井钻井任务。与圈外相比，国产钻具在 性熊、质量方面虽然有了一定程度的提高，僵尚存一定差距。另外，国内钻井技 术和工艺的相对滞后也影响了国内钻具的发展。因此，在2 1 世纪初，我因的螺 杆钻具发展水平有待予进一步提高，争取与国外钻具同步发展，达到世界水平。 与国外相比，目前国内螺杆钻具差距主要体现在： ( 1 ) 目前国内钻具的马达级数一般为4 级左右；输出功率小，尚不能很好满 足国内打直井、水平井及一些特殊钻井作业的工艺要求。尽管有少数生产厂家正 在研制生产大功率超长螺杆马达，但仍有些问题需要解决。马达的转、定子头数 比和截面形状需要进一步优化设计，以达到合理的输出参数，马达级数需要进一 步增加，从而满足大功率的要求。马达性能参数提高后，钴具万向节、传动轴、 壳体螺纹连接也需要从设计、材质等方面进行改进，以提高工作可靠性。将传动 轴总戏的径向轴承、接力轴承所受载荷将大幅度提高，提高轴承的承载能力，改 善传动轴总成的润滑系统也是保证钻具正常工作的另一主要因素。对生产厂家来 说，制造超长马达还面临着技术改造问题，马达的转子和定子加长后，原来些 加工设备已不能满足马达加工要求，生产能力和产品质量保证能力尚需提高。 ( 2 ) 适用于短半径水平井钻井作业的钻具在国内尚属空白，国内生产的弯 2 第一章绪论 壳体螺杆钻具主要用于中、长半径水平井的钻井作业，包括各种单弯、双弯钻具 和导向螺杆钻具，钻具的弯角值可以做成固定的，也可以做成可调式的。可调式 的弯接头包括地面可调和井下可调两种。这一技术国产钻具采用得较少，几乎没 有很成熟的产品用于钻井。作为短半径水平井的铰接马达，国内对此虽有研究， 但由于在加工等方面存在诸多难题，尚无产品问世。 ( 3 ) 国产螺杆钻具从2 0 世纪8 0 年代研制成功到今已有近2 0 年时间，就国 产钻具发展速度来看，从无到有，从原先国内一家生产厂发展到现在十几家生产 厂，其规模和速度应该一说比国外要快，但产品水平与国外尚有差距。国产钻具 的发展在新技术、新工艺的采用及专业研究方面缺少资金和技术人才的投入，新 产品开发速度慢，与我国钻井技术的发展不相协调”j 。 螺杆钻具应用到今天，逐步向多元化、专业化方向扩展，一些专用螺杆钻具 在某些特殊领域具有重要的使用价值，更经济有效地进行钻井，其总体发展趋势 为： ( 1 ) 螺杆钻具在整体结构上逐步向大扭矩、高效率方面发展，有利于提高螺 杆钻具的钻进能力和机械钻速，如串联马达、加长马达等。 ( 2 ) 常规螺杆在内部结构上改进主要是为了提高螺杆钻具的使用寿命。为达 到这一目的，当今虽然各研究机构和生产厂家在设计和制造工艺上做了大量的工 作，但尚不足。通过对许多新型耐用材料进行实验，对定子橡胶、轴承材料进行 改进，研制有旁通孔结构的空心转子，使用闭式油润滑支承节和聚晶金刚石轴承， 发展带减速器的低速大扭矩螺杆来提高螺杆钻具的使用寿命。这些方面都是常规 螺杆提高工作寿命的发展方向。 ( 3 ) 研制非油气井用螺杆钻具具有重要的意义。如煤层气井抗腐蚀螺杆、地 热井抗高温螺杆等。非油气井的井下工作环境更加恶劣，值得进一步研究和探讨。 ( 4 ) 发展取心用井下动力钻具。德国已研制出螺杆钻具取心系统( k i b m ) ，但 在可靠性方面有待进一步完善。 ( 5 ) 钻水平井、径向井的井下动力钻具在国外己十分成熟，但在小井眼水平 井中的小尺寸螺杆方面还有许多薄弱环节，提高制造工艺精度、加强材质性能等 方面还要进一步努力。 ( 6 ) 重视井下动力钻具实验设施的建设，这是保证螺杆钻具使用安全的有效 手段。【1 】 1 1 2 国内外螺杆钻具现状 螺杆钻具在美、英、法、原苏联等国得到了大力发展。2 0 世纪8 0 年代，随着 p d c 钻头的问世和随钻测量( m w d ) 系统的推广，更促进了螺杆钻具的广泛应 用。特别是1 9 8 4 年，以美国e a s t m a nc h r i s t e n s e n 公司为代表的n o r t r a k 导向钻井系 统得问世，把螺杆钻具的发展推向了一个更新的高潮。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，由于受国际油价、环境保护等因素的影响，世界上 许多石油公司、钻井公司及服务公司等机构积极寻求降低钻井成本，提高经济效 3 第一章绪论 益的办法和途径，大斜度井、深水平井、多底井和小井眼钻采技术在定向钻井技 术的基础上迅速发展，日臻完善，己成为当今降低勘探开发费用，提高采收率的 主要技术手段。螺杆钻具作为重要的井下动力工具在新的钻井技术中得到了充分 的应用和发展，为石油勘探开发提供了可靠的技术保证。 近年来，与国外进口钻具相比，国产钻具在性能、价格、结构等方面显示出 一系列优越性：一是国产钻具在产品结构设计方面扬长避短，克服了进口钻具在 使用过程中暴露出的一系列弱点。国产钻具采用头数比为3 ：4 的多头马达，对转 子和定子线形进行了优化设计，增大了马达的过流面积，使钻具在性能上具有底 转速、大扭矩的特点，有效地解决了国外单头钻具扭矩小、转速高的问题，非常 适合国内油田使用牙轮钻头钻井的工艺要求。另外，转子与传动轴之间采用挠性 轴连接，避开了进口钻具采用瓣形万向节质量不过关的问题，提高了钻具的可靠 性，延长了钻具工作寿命。二是国产螺杆钻具的传动轴总成结构简单，采用开式 润滑结构，装配和维修简单，不需要专门培训。三是国产钻具价格便宜，服务及 时。国产钻具的这些优势，为在国内油田的推广和使用创造了条件。 1 2 模块化设计理论研究现状 1 2 1 模块化的概念 对于模块化这个概念，目前还没有形成统一的定义，许多学者根据各自的研 究，从不同的角度对其进行了表述： 有文献1 5j 认为：模块化设计是综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同 用途和性能的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设计部分专用 模块) 以迅速组成各种要求的系统的一种方法。 还有文献1 6 j 认为：模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同 性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块， 通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。 另有文献l j 7 j 认为，模块是一组同时具有相同功能和相同结合要素，而具有不 同性能或用途甚至不同结构特征，但能互换的单元，模块化设计是基于模块的思 想，将一般产品设计任务设计成模块化产品方案的设计方法。它包括两方面内容： 一是根据新设计要求进行功能分析，合理创建出一组模块一即模块创建；二是根 据设计要求将一组存在的特定模块合理组合成模块化产品方案一即模块综合。它 有两种设计形式：一是基型设计，另一是变型设计。基型设计明显包含上述两方 面内容，而变型设计一般只包含第二方面内容，但当互换模块不存在时，也须包 含第一方面的内容。 7 0 年代末，同本的大川二提出机床模块化就是“把具有一定用途和功能的部 件结构标准化，使其互相便于组合和拆开。选择所需要的部件进行组装，即可构 成一台能发挥全部功能的机床或系统”。 4 第一章绪论 8 0 年代初，我国一机部机床设计工作研究班把机床模块化设计定义为：将 机床上同一功能的单元，设计成具有不同用途或性能的、可以互换选用的模块， 用以更好的满足用户需要的一种设计方法。 童时中【串1 8 j 从系统论的角度研究了模块化设计，指出：从系统的观点出发， 对模块化对象采用分解和组合方法，建立模块体系和运用模块组合成( 产品) 系 统的全过程，叫模块化。同时认为模块化是标准化的高级形式，是一种思维的工 具。 劳俊等【5 】从现代制造的角度分析了模块化思想，指出模块化是现代制造的必 然要求。 施进发【1 9 l 把模块化理论提到了机床模块学的高度。认为模块化研究的深入 已经形成了一门研究机械系统中各独立功能部件模块化的新兴学科。 一般认为，截止目前为止，对模块化这个概念还没有形成统一的定义1 2 0 】， 随着研究的进一步发展，人们对其本质的认识还将进一步深化。 1 2 2 模块化设计实施方法的研究 要搞好模块化设计，应开展五个方面的工作：市场调查、技术预测、品种规 划、科研先行、功能分析，并探讨了模块化设计的具体实施中需要注意的一些问 题。 童时中【8 j 提出的设计过程是以电力保护系统的模块化设计为背景的，但其基 本原则对于螺杆钻具等机械产品的模块化设计同样具有指导意义。从中可以看 出，传统模块化设计对设计人员素质的要求是非常高的，整个过程也是非常烦琐 的，并不大容易推广与普及。 随着计算机技术的发展，越来越多的人开始研究计算机辅助下的模块化设 计。图1 1 所示为姜慧1 2 0 j 提出的计算机辅助模块化设计的一般过程。 图1 1 计算机辅助模块化设计的一般过程 1 2 3 模块划分方法的研究 模块划分是模块化设计的前提和基础。模块划分是否合理，直接影响模块化 系统的功能、性能和成本。综合当前模块划分的研究，大致有以下途径。 系统化的途径。p a h l l 2 1 】研究了模块化的实施途径，采用其系统化理论，提出 了一套进行模块化的步骤，其目的在从程序上对模块化的实施进行指导。 5 第一章绪论 综合考虑全生命周期中模块化影响的模块划分。首先确定全生命周期中模块 化的影响因素，建立模块识别矩阵( m i m ) ，在该矩阵中，确定各功能载体对各 因素的影响程度，据此对各功能载体进行聚类。 基于相关程度的划分。通过分析组成产品的各零部件( 功能) 之间在材料、 能量、信息、空间等各方面的相互作用程度，确定模块的划分。文献1 2 2 j 提出通 过交互影响矩阵来完成这一任务。通过分析产品零件间某种交互作用的频率来确 定模块的划分。这类方法主要关注于模块划分的客观技术方面。 技术与经济因素相结合的模块划分。文献1 2 l j 提出技术与经济因素在模块划 分中均扮演重要角色，还有学者提出了一种综合考虑m i m 与相关度的划分方法。 1 2 4 模块组合理论的研究 苏联学者证明，在模块组合时，对所有可能组合的每个方案进行简单枚举是 不可行的。它们使用有向图来表示机床的布局结构，用图的顶点表示模块，顶点 之间的边连接表示模块之间的装配关系；把机床划分为动力部分和安装部分，分 别用两个子图表示，通过对子图上始点与终点问路径的分析确定可能的组合。 陈敏贤等【2 3 】【驯提出了基于模块编码的计算机辅助模块组合方法；h c ，d a v i d w 【2 5 j 研究了模块化产品的装配设计问题，针对模块化产品的特点，提出了装配 系统的设计方法；0 g r a d y 2 6 j 研究了分布协同的网络设计环境下模块的组合方法， 通过一个面向对象的模块化产品设计环境，可以将不同地区、不同模块制造商提 供的模块快速组合成满足用户需求的模块化产品。 1 3 螺杆钻具的设计技术研究与模块化设计 当今机械产品的设计潮流在上文里也提到了，螺杆钻具的设计是本着快速设 计的目的进行的，将模块化设计思想融入到螺杆钻具的设计过程中，将使螺杆钻 具的设计效率大为提高，是十分可行的设计方案，其可行性具体表现为以下3 方面内容： ( 1 ) 螺杆钻具的整体结构具有很好的可拆卸性和可组合性，而且其组成结 构相对简单，主要由5 大总成组成，对于功能模块的划分和创建有着先天的便利 条件，易于构建基于模块化设计思想的设计体系。 ( 2 ) 目前国内的螺杆钻具制造厂商应用数据库技术的为数不多，这不仅对 设计数据的管理造成一定的不便，而且对于模块间的比较、选择带来一定的不便。 以模块化设计思想为依托将螺杆钻具涉及的专业知识按模块化的设计方法组织 在一起，组成知识库，在设计中需要根据不同的情况对螺杆钻具进行模块的选择 时，可以对知识库进行检索，来快速的判断模块选择的最佳方案。 ( 3 ) 各个总成设计时是独立的，但当今螺杆钻具的主流设计方法是基于自 顶向下设计技术的，所有组件的设计都是基于产品的骨架结构上完成的，这就要 6 第一章绪论 求总成之闯以及各个组件间的设计要有定的接口设计规则，当设计过程中根据 不同的工况条件以及各种不同的特定条件进行模块选择完毕后，模块问的组合因 为有着统一的接口而变得十分方便和快捷。 1 4 课题背景、研究意义 作为现代设计理论的重要组成部分，模块化设计一直是国内外设计领域研究 的重点，其研究主要匿绕模块纯产晶系统设计方法、模块化系统分析、建模方法 等几个方面进行。 模块化设计技术经过几十年的发展，已经广泛地应用于计算机、数控机床、 液压枧、减速器、家用电器、汽车覆盖件模具、机器人等备种行业。随着计算机 技术、c a d 技术、k b e 技术的发展，模块化设计技术的研究正朝着与上述各种 先进设计技术相结合的方向发展。传统的模块化设计技术茏逐步演变成为计算枫 辅助模块化设计、虚拟模块化设计、广义模块化设计等，参数化、变量化技术被 引入到模块化设计领域，为产品的快速设计提供了技术支撑。 为了达到快速设计的目的，要有先进的设计工具，翔各种c a x 工具，同时 更需要充分有效地利用工程专家的领域知识，以及产品设计的经验( 这些都可称 之为知识) 。k b e 就是这样一种通过结合c a x 与a i ，来改善产品设计开发过程， 加快产品设计速度的技术。k b e 以知识驱动为基础进行工程设计，将人工智能 ( 知识库，知识规则，逻辑推理) 与c a d 、c a m 、c a e 有机结合，使其应用对 象从凡何造型、分析及制造等扩展到工程设计领域，使工程设计知识融入c a x 系统。 石油工业是全球制造业的支柱产业之，随蓉市场需求的改变，石油机械的 更新换代速度同趋加快，而作为石油机械的关键装备螺杆钻具是以泥浆为动 力的一种井下动力钻具，其设计质量决定了钻井工作的成败。 剩用面向对象建模技术，将设计知识应用于模块化设计的整个过程，实现 k b e 技术与模块化设计的有机融合，利用三维c a d 软件实现特定产品的快速设 计。 在参数化建模技术支撑下，在螺秆钻具模块化设计过程中引入k b e 技术， 通过建立不同模块的参数化模板，将设计知识以常数、表达式、规则推理融入到 模扳的特征建模过程中，实现参数的有效、合理、快速地驱动。 本项目的开发成功可直接应用于各企业螺杆钻具的设计中，通过提供最优设 计方案，提高产品的设计质量，降低成本，缩短产品的研发周期，为企业创造明 显的经济效益和社会效益。 7 第一章绪论 1 5 论文内容及组织 本文主要探讨螺杆钻具的模块化设计方法，详细论述了在机械设计过程中广 泛应用的模块化设计理论和自顶向下的设计思路，同时对基于知识的工程( k b e ) 以及对应用v c + + 对s o l i d w o r k s 进行二次开发的技术也进行了较为细致的介绍， 除了绪论外其他章节的主要内容及组织如下： 1 、螺杆钻具开发系统的主要技术及功能模块划分。主要介绍了螺杆钻具开 发系统涉及到的设计思想和技术，以及对螺杆钻具本身的基本结构进行了大致的 介绍。 2 、自顶向下的螺杆钻具的模块化设计方法研究。主要介绍了螺杆钻具设计 过程中主要依赖的自顶向下设计技术和该技术在本开发系统中的应用。 3 、螺杆钻具的模块划分综述。主要介绍了模块化设计方法，和螺杆钻具开 发系统中模块的划分。 4 、系统功能模块应用演示及运行实例。主要介绍v c + + 对s o l i d w o r k s 进行 二次开发的主要技术，以及系统运行演示。 5 、总结与展望。主要对系统功能的扩展性进行综述和概括，以及对在该领 域今后的发展进行总结。 8 第二章螺杆钻具模块化设计的技术堆础 第二章螺杆钻具模块化设计的技术基础 螺杆钻具开发系统作为一个综合的设计系统来讲，其本身的组织结构、设计思路、 主要技术的应用规划和关联都遵守着相应的规则，在本系统中涉及的主要技术有两个： 模块化技术和自顶向下的建模技术。下面就这两种技术在本系统中应用的规划及系统的 框架结构做简要的介绍。 2 1 机械产品结构的模块化定义 2 1 1 机械产品的结构特点 机械产品是一个由若干零件、部件、装置，按一定规律和结构形式组成的具有 特定功能的机械系统。 作为一个系统，机械产品具有以下基本特性： 1 、整体性系统由若干要素和子系统组成，尽管各要素或子系统的性能各异， 但它们在结合时必须按照整体功能的需求，相互协调。 2 、相关性构成系统的各要素之间是有机联系、相互关联的。它们之间有着 互相作用、互相制约的特定关系。 3 、目的性系统应能完成特定的产品功能要求。 4 、结构的层次性产品的结构可以按功能分解的原则层层剖分，直至分解为最 小的零件。基于上述结构特点，机械产品均可按照功能分解原理对结构或系统进 行模块的划分和组合，实施产品的模块化设计。 2 1 2 模块化基本定义 功能需求集职。是市场和客户对模块化产品基本功能要求的集合，可以功能树 方式表达( 如图2 - 1 所示为典型功能分解树的示意图) 。 图2 1 产品功能分解示意图 9 第一二章螺杆钻具模块化设计的技术基础 产品功能需求分析是实施产品模块化设计的依据，为进一步创建合理的模块系 统，必须针对性地收集、分析市场需求对全部产品集的基本功能要求。功能需求 分析包括功能定义，功能分解和功能归类等。 功能单元f 描述的是模块的功能，它是在对图2 1 所示产品功能树进行相关性 分析基础上，进行功能划分的结果。 产品族结构中对应于功能单元只的产品组成元素，称为功能模块f m i d o 】。 结构模块m 。( i ，f e n ) 属于功能模块的一个具体模块结构，结构模块一般由 部件或子结构模块组成。 结构模块可以表达为： m 盯一f ( g ，p j ，h k ) ，j ，k e n ( 2 1 ) 其中g ，为模块结构参数，描述该模块的结构几何参数约束，p ，描述载荷、应 力、应变等工程约束；h x 描述结构的材料等特性参数。而结构参数g ，又是p j 物理 参数的函数，即 g ，一厂( 弓，h r ) ( 2 2 ) 描述的结构模块组合时相互间几何、物理关系的结合面成为模块接口。模块接 口是模块可组合的依据。模块接口的标准化决定着模块的通用化程度。 基型模块指设计中通用性强、结构完整的典型结构模块。由基型模块组成的模 块化产品称为基型模块化产品1 2 7 j 。 变型模块指在基型模块基础上，针对特定的功能需求改变模块某些结构参数而 派生出的模块。 变型模块化产品指的是在基型模块化产品基础上通过替换、增减某些功能模块 而组成的模块化产品。 基型和变形模块化产品可表示为只= 【m i 】；模块化产品族是模块化产品的集合 识) 。根据组成结构模块系列不同，产品族有横系列、纵系列、跨系列产品族等几 种形式。 产品族呻p l 基型产品p 2变型产品p 。 功能 f m i f m 2 f m 3 f m 基颦! 模块 口 变型模块 口 图2 - 2 功能模块、结构模块( 基型、变型) 及产晶族概念图 2 1 3 基于模块化设计的产品族、产品系列规划方法研究 图2 2 以横系列产品族为例，描述了功能模块、基型模块、变型模块、模块 化产品族之间的相互关系。图中为一个由基型产品p ，及其变型产品p ：p 。组成的 产品族。该产品的结构组成为 f m 。，f m ：，f m 。) i 刚，其中功能模块f m 。对应的是 1 0 第二章螺秆钴具模块化设计的技术幕础 一缰壶基型模块和交型模块组成的结鞫摸块组。在产燕族痨，模块之阔其有耱翮 和相似的接口，模块接口的标准化是形成产品族的基础。 摸块化系统一般有模块化产晶移模块两个层次的系列，模块系列是模块化产鼎 系列的基础。模块系弼有可分为基型模块系列和横向、级向模块系列。 设产晶的模块化结构f c 由功能模块f m ：组成： f c 一【f m l ，删| ，蹦，翮i 】，( i e n ) ( 2 4 ) 对于任一功能模块f m 。，其对应的模板模块族可以表示为： ( 2 5 ) t m 抒；，p ，g t ，p j ，h k ) ( 2 6 ) 设产菇结构设计主参数茺o e ! ，市场需求撰稿范匿兔妒= ( 艘黼，躞一) ， 将缈按照结构规模大小变化分解为规格需求区间段妒。，不同的参数区间段妒。对应 不磊结构的摸板，壶戴形成了结梅模块系烈t t l d ；中的每一列豹结构模块，称式( 2 - 5 ) 中每一行为横模块系歹| ，每列为纵模块系列，其中第一列为基型模板模块； t m ；中每行中的结构模块是对应予基型模块的所有变型模块。 对于饪一功能模块，对应着一个结构模块系列，麸两所有结搦模块系捌组成了 模块化设计的模块族。 设模块诧产菇矩阵： ( 2 7 ) 其中任意一个元素m e ! i ( i = 董，2 。，m j = 熏，2 ，n ) 代表一静模块化产品，网行元 素具有相同的几何参数约束g ，只是通过互换或增减部分模块的方法丽形成的不 弱的变型产品，网一到元素具有糨弱或相似的整体布局形式，健儿德参数约束g ， ( 由妒。，确定) 不同。 矩阵中任意列元素构成一个纵系列产品集。第一列定义为基型产晶，它是几 何参数约束g ，按照一定规律排列构成的产晶集。基翌产品酶组成模块为基型结构 模块，如基型产晶m e , ，袭示为： 懈l = 溉；i ，触三，擞知+ , t m k t l 】 ( 2 - - 8 ) 矩阵中任意一行元素构成一个横系列产品集。它是在基型模块集的基础上，由 一组基型模援模块翱变型模叛模块组成的产品系捌。 矩降中任意s ( s ，两个表的记 录集结构基本一致，如图4 。1 6 所示。 网4 1 6 传动轴1 7 2 t 0 0 总成组件表结构示意图 同时库中还存储鬃体组件的信息( 尺寸名，尺寸值，关联尺寸名等) 如表禾3 所示。 表4 心组件信息记录集结构 列名 说明 组磐号 组佟戆唯一标识 组件名组件名称 尺寸名记蒙从动尺寸省略名，倒如：d 2 z h u a n z i 2 尺寸全称记泶尺寸全名，例如：d 2 - z h u a n z i 一2 草图2 隶鼹特征 尺寸隶属的特征，例如：“d 2 - z h u a n z i 一2 孳型2 ，隶聪予“草隧2 ” 尺寸值尺寸数值 尺寸类型记袋该尺寸是从动尺寸还是驱动尺寸 第四章螺杼钻具的模块化设计技术研究与实现 在该类数据库中，只要组律级别为装配体，就会有一个该子装配体的组件表，结构 与总成组件表相同。在总成库中同样有尺寸关联表，同前面项目库中的尺寸关联表结构 相同，只不过该关联表中的关联信息是基于总成级别的。总成数据库规划如图4 - 1 7 所 尔。 产晶数据库 弋 总成信息 ! 尺寸关联表 缌搏信息 j 卜il 纛表l 总成级别( 部件级 - 别) 中的尺寸参数关 组件表( 黻恕组件表( 零件缓i 联傣怠 髂缓剐)捌) 0j 1 f 总成号剩号，数 构成该总成组件 与总成组件袭结构i尺寸名，尺寸值 i 量，组伴缀剐，从 鞫通 ，关联足寸名簿 蕊挫疑等 戆信息 图4 - 1 7 总成数据库规划圈 由于系统是基于v c + + 开发的，在与数据库之间进行数据交换的操作时要遵循一定 的检索规则，其中，数据库中表的命名方式直接影响到系统功能的通用性，所以各个表 的名穗根据表的不同种类对其规定了各自特定的命名规则，表垂l 判渤了总成数据库中 部分表的命名规则： 表4 总成数据库中表名的命名簸煲雏 总成霹中表的类别命名规则 尺寸关联表固定名称“尺寸关联表” 总成属性表总残名称+ 型号+ “属性表”，例如：传动轴总成1 7 2 - 4 0 0 属性表 总成组件表总成名称+ 型号+ “组件表”，例如：传动轴总成1 7 2 4 0 0 组件表 组件表( 予装配体级别)装配体名称+ “组件液”，例如：多列推力球轴承缀件表 组件表( 零件级别)零件名称 4 3 3 螺杆钻其开发系统资源数据库系统结构分析 资源数据库是同产品数据库一样，是以总成为单位进行规划设计，所不同的是，由 予资源数据痒是涵盖了一类总成中所有不同种类、不网型号的零部件的相关信息，不会 像产品数据库那样针对性比较强，所以资源数据库中没有总成组件表和尺寸关联表，只 有总成属性表，它纪录的是不同型号总成的相关属性信息。 在系统进行零部件的新建、编辑、修改和删除等操作的时候，只要涉及到零部件参 数数据的保存，必然要更新资源数据库中相关的纪聚集信息：在进行新零件的设计时， 首先就要在资源数据库中的检索稿关零部件信息并鼹示在系统界面上，懿果发现满足要 3 9 箔四章蝶杆钻具的模块化设计技术研究与实现 求的，则进行借用操作。如图4 一1 8 是资源数据库的援划设计示意蓬： 4 4 本耄小结 图4 1 8 资源数据库规划设计圈 本章详细介绍了模块化设计技术在本系统中的应用，以及模块化设计的过程包括模 块创建、选择，模块接口设计和模块选择圈部分，还就螺杆钻其模块化设计信息数据组 织结构进行了较为详细的介绍。 第五章螺杆钻具模块化设计系统运行实例 第五章螺杆钻具模块化设计系统运行实例 本章介绍螺杆钻具综合开发系统的主要功能，通过实例演示介绍系统的设计流程和 思路。 5 1 系统功能机制的介绍 在螺杆钻具的综合开发系统中，就整体的系统功能来说，可以分为设计模块和管理 模块，在系统运行中，为了保证系统功能的整体性和完整性，两个功能部分是重叠的， 既在设计中完成了零部件的管理。在设计功能模块中，我们将系统分为两种设计状态： 新零件的设计和原有零件的修改。其中的新零件的设计可以分为自主设计、参照设计和 零部件借用。自主设计指的是零件整体需要设计人员利用绘图软件重新绘制，这种情况 一般发生在设计过程中没有任何可以借用的零件或是全新结构的零件；参照设计是指零 部件设计过程中根据零部件自身的结构特征利用数据库中的相关资源进行检索，查询出 近似的零件，在这些相似的零件的基础上进行参数的修改以达到需求零件的要求；零部 件借用是指在进行新零件设计时根据零件设计的要求在数据库中检索近似的零部件，如 果检索的零件中有完全符合设计要求的则直接借用此零件来完成设计，这种设计方法的 速度最快，效率最高，在系统运行时应作为优先级最高的一种设计思路。 在螺杆钻具综合开发系统中，对于设计流程而言，应遵循先查询再设计的设计顺序， 具体说就是进行零件设计任务的时候，先要在数据库中检索相关近似的资源，如果检索 到满足设计要求的零部件就直接借用该零件，如果没有找到完全匹配的零件，则根据检 索出的相关零部件进行修改以达到设计需求，如果这两个步骤都不能满足设计要求，则 用户需要利用绘图软件自行设计需求的零件，这时系统仍可以根据用户的绘图需求在绘 图软件中自动建立空的绘图文档，以便于用户使用。 上述的设计方法始终贯穿于螺杆钻具综合开发系统的所有设计工作，在设计时应在 设计的准确性得到保证的情况下提高设计效率，而该系统在设计中进行层层判断，选出 最优的设计方法供用户使用，同时实现了设计准确和设计高效。设计的流程如图5 1 所 示。 第五章螺杆钻具模块化设计系统运行实例 图5 - 1 螺杆钻具开发系统设计思路图 5 2 系统功能运行实例 由于螺杆钻具涉及的零部件种类和数量较多，这里的系统运行实例只针对几个较为 典型的零部件进行操作，通过这些对零件的操作可以将系统的整体功能运行流程展现出 来。如图5 - 2 所示为系统运行界面。 二= i 、二。二” ” 一 槲缸d o * 毪：”；7 。3 ” ：棼；一1 ，。= = 一一 。 善薯 硒 ；：i ；_ f ，i ；。：i i 。：g 一一i ；函 圈5 2 系统运行界面 第五章螺秆钻具模块化设计系统运行实例 上图所示的是系统运行时的界面，从图中可以看出界面基本分为3 大部分：产品资源管 理区( 左边的树控件) ，下方的列表框和中间的图形显示区域。 产品资源管理区是系统的主要操作区域，零部件的管理和编辑工作甚至产品相关的 设计管理工作都是在产品资源管理区完成的，分为产品结构树和资源管理树两个部分， 产品结构树用于显示产品的组织结构，设计状态同时还有相关的管理和设计功能；旁边 的资源管理树是检索过程中用于显示与检索条件相符的零部件的信息，可以完成零部件 借用的工作，同时将相关的数据录入到数据库中。 下方的列表主要的功能是显示具体零部件的主要参数信息，双击列表可以对零部件 的参数进行编辑。如果完成参数修改，可以单击列表上方的“确认”按钮使修改生效，这 时会弹出操作提示对话框如图5 3 所示： 圈5 - 3 操作提示对话框 这个对话框提示用户是将修改的零件以新零件的形式存储还是只在原有零件的基础上 进