（机械设计及理论专业论文）完井生产管柱参数化技术研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yo nc o m p l e t i o nc o l u m n d e n gt s o ( m e c h a n i c a ld e s i g n a n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f l i uy a n c o n g a b s t r a c t a st h em o s ti m p o r t a n ts t a g eo fc a d ，p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc a na v o i dr e p e a t e dm o d e l i n g o ft h ea n a l o g o u sp r o d u c t s ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c td e s i g n , a n dt h e nt h ew h o l e c o n s t r u c t i o nc y c l ec a nb es h o r t e n e d a tp r e s e n t , t h ea p p l i c a t i o no fp a r a m e t r i ct e c h n o l o g yo n t h ew e l lc o m p l e t i o np r o j e c ti sm a i n l yl i m i t e dt ot h es o l i dm o d e l i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f s i n g l ed o w n h o l et 0 0 1 o v e r a l lt h er e s e a r c ho fp a r a m e t r i cd e s i g no nt h ew h o l e c o l u m na n dt h e c o m p o s i t ed e s i g no f d o w n h o l et o o l si ss t i l la tt h eb e g i n n i n g b e g i n n i n gw i t ht h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fp a r a m e t r i ct e c h n o l o g y , t h i sp a p e r r e s e a r c h e s t h et e c h n o l o g yo fd e v e l o p i n gap a r a m e t r i cs y s t e m b a s e do np r o e n g i n e e r s o f t w a r e ，i tb u i l d st h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo fc o m p l e t i o nw e l lc o l u m n , b yt h et w o s t e p so f b u i l d i n gp a r a m e t r i cm o d e l i n gl i b r a r ya n dp a r a m e t r i ca s s e m b l i n gm o d e l s f i r s t l y , t h e p a p e ra n a l y s e st h es y s t e m ，a n dd i v i d e sp a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l a rt of o u rs u b m o d u l a r s ：p a r t p a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l a r , a s s e m b l ym o d u l a r , d a t a b a s e m o d u l a ra n dd a t ai n t e r f a c e m o d u l a r ；t h e nu s i n gu d f t oc o m p l e t ep a r a m e t r i cm o d e l i n go ft h ep a r t i tb u i l d st h em o d e l d a t a b a s eo fd o w n h o l et o o l sa n dt h ea s s e m b l yr e l a t i o nd a t a b a s e a n dr e a l i z e st h ed o w l l h o l e s p a r a m e t r i ca s s e m b l ed e s i g n au s e r - f r i e n di n t e r f a c ei sd e v e l o p e db yu s i n gt e c h n i q u eo f m e n ua n du id i a l o g - b o x 1 1 圮d e v e l o p m e n to fc o m p l e t i o nc o l u m n p a r a m e t r i cd e s i g n s y s t e mc h a n g e st r a d i t i o n a l2 d - d e s i g nm e t h o d i tw i l ln o to n l yi m p r o v et h eq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo fc o m p l e t i o nd e s i g n , b u ta l s o c a nb cr e f e r e n c e dt of u g t h c rm o r er e s e a r c ho n d y n a m i c a la n a l y s i so fc o m p l e t i o nc o l u m n a l l t h a tf u l f i l st h en e e do fm o d e mw e l l c o m p l e t i o ne n g i n e e r k e y w o r d s ：c o m p l e t i o nc o l u m n , p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y , p r o t o o l k i t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所里交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：年 月 日 日期：年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 参数化技术的基本概念 参数化技术( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ) 是以约束来表达产品模型的形状特征，以一 组参数控制设计结果，产品的结构形式是确定的，只需据某些具体的参数决定产品某一 结构形式下具体组成、功能等，从而能通过变换一组参数值方便创建一系列形状相似的 零件。广义的参数化，包含关系驱动造型、变量化设计及基于约束的设计等诸多内容【1 】。 参数化设计的基本手段有程序驱动和尺寸驱动。程序驱动是通过分析图形几何模型特 点，确定模型主参数以及各尺寸间的数学关系，将这种关系输入程序中，进而在零件设 计时只要输入几个参数就可生成所要求模型；尺寸驱动是对程序驱动的扩展，基本思想 是由应用程序生成所涉及的基图，该图的尺寸有一系列的标识，这些尺寸用户在编程时 输入或交互式输入，生成用户的模型。参数化设计技术以其强有力的尺寸驱动、修改图 形功能，为初始产品设计、产品建模、修改系列产品设计提供了有效的手段，能够充分 满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺装备的需要 2 - 3 1 。 参数化设计的基本任务是将原始图形中形式参数用符合设计图形的具体结构参数 的数值来代替，其具体结构参数的数值又与具体的产品有关。基本过程是：创建原始图 形；确定绘图参数；利用专业知识确定原始图形参数与具体结构参数之间的关系；产生 设计图纸与相关文档。具体过程如图1 - 1 所示 4 1 。最大优势在于建模速度快，利用参数化 设计手段开发的专用产品设计系统，使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出 来，可以极大提高设计速度，并减少信息的存储量。根据用户需求不同，参数化建模可 有二维图形参数化、三视图参数化和三维特征参数化等形式。其中基于特征的参数化技 术提供很完整的工程信息和灵活的建模操作而成为未来重要的产品设计辅助手段【5 1 。 图1 1 参数化设计的基本过程 f i g i - 1b i cp r o c e s so f p a r a m e t e r i a ld e s i g n 第l 章绪论 1 2 参数化技术的发展历程和主要特点 随着现代社会的快速发展，各种产品日新月异，产品的寿命缩短，更新换代的速度 逐渐加快，对产品设计与制造的要求也越来越高，产品从设计到生产是一个复杂的过程， 它包括产品总体方案设计、概念设计、制造加工与装配等多个环节，传统的设计与制造 方法难以全面考虑这些环节。计算机辅助设计的广泛应用以及计算机软、硬件技术的发 展，为参数化设计提供了一个良好的基础。机械产品中，不仅存在大量的标准件( 如键、 销、螺钉、螺母、滚动轴承等) ，而且很多零部件的形状是相似的。如果能赋予这些形 体一组定义参数，当改变这组参数的取值时，该形体就随之发生所期望的改变，就可以 大大提高设计效率。参数化技术的产生，成为工程、设计的迫切需要和必然选择。参数 化技术的研究已经有数十年的历史，而构造基于约束的设计系统一直是人们追求的目 标，它可以使设计对象能随着设计的不断深入，逐步施加和修改约束，直至产生最后的 形体。基于约束的参数化设计和造型系统的发展大致可分为如下阶段： ( 1 ) 以交互式绘图与约束技术混合使用为特征的初级阶段( 1 9 6 3 7 0 年代中期) 。 基于约束的交互绘图是这一阶段的主要特征，其约束模型往往是基于数学的，且无解释 功能 6 1 。 ( 2 ) 以约束满足为特色的发展阶段( 2 0 世纪7 0 8 0 年代中期) 。在这一阶段，人工 智能学科中关于约束满足问题的表达与处理技术为参数化技术的发展提供了坚实的基 础，基于约束的参数化变量设计取得了进一步的发展，主要表现在： 约束表达机制日益丰富； 约束表达与处理技术日益成熟； 人工智能技术广泛应用于工程设计。 ( 3 ) 成熟与使用阶段。进入2 0 世纪8 0 年代中后期，原c v 公司的一些人提出了一种 更新颖的算法参数化实体造型方法，成立了参数技术公司( p 1 ) ，研究推出了一种 命名为p r o e n g i n e e r 的参数化软件，并逐渐得到广泛的应用。目前，在许多商品化的c a d 平台中，基于约束驱动的参数化造型功能已比较成熟，可以很好地处理过约束与欠约束 问题；可以充分利用交互特性，引导用户逐步确定设计过程，给出全部设计解；允许用 户以任意方式和顺序定义集合约束和工程约束 6 - 7 。 ( 4 ) 9 0 年代初期，s d r c 公司在摸索了几年参数化设计后，开发人员发现原有的参 数化设计尚存在许多不足之处，比如，全尺寸约束这一硬性规定就干扰和制约着设计者 创造力和想象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 尺寸联系起来考虑，并且通过尺寸约束来控制和驱动形状的改变，一切以尺寸( 即参数) 为出发点。一旦零件形状过于复杂，迅速改变大量尺寸以达到所需要的形状就很不直观。 为此，s d r c 的开发者提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术 阎。 变量化技术和参数化技术的不同之处在于：变量化技术是同步地解决问题，而参数 化技术则是顺序地解决问题。参数化技术一般是指设计对象的大致结构形状比较定型， 可以用一组参数来约定尺寸之间的关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺 寸有显式的对应，设计结果盼修改受到尺寸驱动。变量化设计对设计对象的修改需要更 大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状，约束方程可以是几何关 系，也可以是工程计算条件。变量化设计结果的修改受到约束方程的驱动。事实上，现 在所用的参数化技术就是改造后的变量化技术。 参数化技术的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相 关 9 - 加1 。 基于特征：将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参 数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂几何形状的构造。 全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。 造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全约束) ，不能漏注尺寸( 欠约束) ，不能多注 尺寸( 过约束) 。 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸值来驱动几何形状的改变。 全数据相关：尺寸参数的修改导致其他相关模块的相关尺寸得以全盘更新。 参数化设计方法与传统方法相比，其最大优点在于它存储了设计的整个过程，能设 计出一组而不是一个产品模型。参数化设计能够使得工程人员不需考虑细节而能尽快草 拟零件图，并可以通过变动某些约束参数来更新设计，而不必重来一遍。参数化设计成 为进行初始设计、产品编辑修改、多种方案设计和对比的有效手段。 实现参数化设计是机械设计的核心任务之一，是新一代智能化、集成化c a d 系统核 心技术，也是当前c a d 技术的研究热点。参数化技术是c a d 技术的一个重要分支，可以 说它主导了c a d 发展的新技术革命，代表了c a d 技术的发展方向。 1 3 课题背景及主要研究内容 完井工程是衔接钻井和采油工程而又相对独立的工程，是从钻开油层开始，到下套 管注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液直至投产的一项系统工程，是石油、天然气勘 第1 章绪论 探开发过程中的重要阶段。完井设计方法的优劣、施工过程的自动化程度与油气井产能 的提高休戚相关，但是，目前国内大多数油田的完井方法仍然是采用传统模式，总体来 说，自动化程度不高，作业周期长、效率低。尤其是在生产管柱的井下工具组合设计方 面，传统的设计方法是二维设计，首先确定所要设计系统需要的各个初始化条件、参数， 再根据所给出的条件、参数查询相关的机械设计手册、相关的设计计算、经验及类比方 法，通过手工计算得出最终所设计的机械零、部件的各个尺寸，然后将这些尺寸代入到 校核、分析公式进行验证，根据所得到的结果来判断这些尺寸是否满足设计要求，若满 足要求则将其确定为设计所需要的最终尺寸，若不满足要求则需要进行重新设计 1 l - 1 3 】。 根据开采条件、地质类型和生产工艺等的不同，各油井所采用的完井方案都有所不 同，下入工具的组合方式相应有较大差别，图1 2 给出了几种常用的完井生产管柱类型。 但就单种井下工具而言，同一系列的产品，其外形尺寸和结构形式是基本一致的，这就 导致目前完井生产管柱的组合设计中，工作重复率相当高，造成了大量人力物力资源的 重复性消耗，不利于提高工作效率、缩短作业周期和降低生产成本。参数化技术的出现， 为解决这些问题，提供了切实可行的方法。 力喷舰悠1 - 抽油泵寡磊黎：2 黔5 - ：1 二瓣嚣鬻， 筛管；3 一封隔器；= 竺7 1 羔= ”5 萎25-缎tt堵：；淼蒸黧5 、3 一封隔器；4 一筛管； 6 一丝堵；7 一采油层：兰兰i 口一不“愿5 6 一采油层 ( b ) 整体式油层保护管柱? = ! 竺学。 ( a ) 水力喷射泵生产管柱 婶，到术i ，土厂目仕 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 用到现代社会的许多方面，例如：高速客车三维参数化c a d 系统【1 4 】，基于p r o e n g i n e e r 的渐开线行星齿轮减速器三维参数化【1 5 j ，装载机工作装置参数化设计与装配【1 6 1 ，压铸 模具参数化c a d 技术1 1 7 l ，基于p r o e n g i n e e r 的卷纸机参数化设计【1 8 1 等。但是，参数化 设计系统在完井工程方面的研究应用还不是很广泛，并且主要是集中在个体工具的三 维实体造型、有限元分析、标准件库的建立等方面，而对管柱整体的比较全面的三维 设计，尤其是在生产管柱及其工具组合设计方面的研究，尚处于探索阶段。 利用具有三维图形参数化功能的软件进行完井生产管柱设计，可以绘制符合实际设 计要求的零件图、装配图，实现井下工具及其组合方式的参数化造型设计。这可以在保 证完井工程设计质量的同时，大大缩短整个工程的生产周期，强化对千变万化的市场的 快速反应能力。完井生产管柱三维参数化技术的研究，对推动我国石油开采技术的发展 具有重要意义。实现井下工具的参数化设计、装配、组合，生成整体的完井生产管柱， 本课题的研究内容主要有： ( 1 ) 根据完井生产管柱设计的内容和要求，确定系统开发的总体思路，选择系统 开发的工作环境； ( 2 ) 研究参数化系统的总体结构，并进行任务分解，进行合理的模块划分； ( 3 ) 对井下工具三维参数化建模的实现方法进行研究和选择，利用p r o e n g i n e e r 建 立参数化的零件模型库； ( 4 ) 对p r o e n g i n e e r 的二次开发技术进行研究，实现各种井下工具的尺寸驱动和装 配、组合设计，并建立扩展功能接口； ( 5 ) 设计用户交互界面，实现方便快捷的人机交互。 本章小结： 本章介绍了参数化技术的基本概念、基础原理、主要特点及其发展历程，根据完井 生产管柱设计的研究背景和现状，提出将三维参数化技术应用于完井生产设计，并开发 出相应的参数化设计系统。 第2 章系统开发关键技术 第2 章系统开发关键技术 参数化设计系统的开发。是一个复杂的过程，本章将对系统开发中用到的各种关键 技术进行介绍。 2 1 参数化建模方法 参数化建模方法大致可分为三种形式，即基于几何约束的变量几何方法、基于几何 推理的人工智能法和基于生成历程的过程构造法 2 2 - 2 3 j 。 ( 1 ) 基于几何约束的变量几何方法 这是一种面向非线性方程组整体求解，基于约束的代数方法。变量几何法的两个重 要概念是约束和自由度，它把几何形状定义成一系列的特征点，约束则表示成以特征点 坐标为变元的非线性方程组。通过n e w t o n - r a p l ：l s o n 迭代求解非线性方程组，从而确定 出几何细节。约束是对几何元素的大小、位置和方向的限制，分为尺寸约束和几何约束 两类。尺寸约束限制元素的大小，如对长度、半径和角度的约束；几何约束限制元素的 方位和相对位置关系。常见的约束类型如图2 1 。 图2 一i 常见约束类型 f i g 2 1c o m m o n l yr e s t r i c tt y p e 事实上，任何约束只要能表示成关于特征点坐标的方程，就可以加入系统并投入运 算，因而该方法比较通用。非线性方程组的求解基于n e w t o n - r a p h s o n 迭代法。将非线 性方程组表示成 f ( x 产o( 2 1 ) 式中：x 为特征点坐标组成的矩阵x ( x l , x 2 ，x m ) 7 ；f 为约束方程矩阵f 气f l ，t 2 ，f m ) 7 。 对于初始值) ( o ，第n + 1 次迭代的x 川值可由以下迭代公式得到： j r = - - f ( x e )f 2 - 2 ) x n + l = i x n + a x ( 2 3 ) 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 其中j 为j a c o b i a n 矩阵( 即f 在x n 处的一阶偏导数矩阵) 篮盗篮 钆 ( 2 - 4 ) 当ljl o 时，可以由( 2 2 ) 式解得f ，代入( 2 3 ) 式就可得到新的) ( i ，+ 1 ，这样经过 多次迭代，直到l xs 善，就得到了方程组的解x 。约束集的有效性可以通过判断 j a c o b i a n 矩阵的秩来实现。 非线性方程组数值求解的优势是能适应较大范围的约束类型，而且循环约束可通过 约束方程组的联立求解来处理。当图形复杂时，非线性方程组的方程数明显增加，由于 涉及到非线性方程组的求解问题，它难以避免数值方法求解稳定性差的问题，方程组整 体求解规模和速度难以得到有效控制，迭代初值与步长的选取也会影响算法的成败。 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能方法 该方法的基本思想是将约束关系存入事实库，通过推理机的推理作用，从规则库中 选取规则并应用于现有事实，推理的结论作为新的事实，推理史记录了所有成功的应用 规则并提供重构过程，构造出符合设计要求的几何体。a l d e f e l d 法是采用人工智能的典 型参数化方法，其推理过程如图2 - 2 所示。 图2 - 2a l d e f e l d 法推理过程 f i g 2 2a l d e f e l d sr e a s o n i n gp r e c e s s 人工智能法的主要优点是表达简洁、直观，可避免变量几何法的不稳定性循环，但 系统庞大，速度慢，无法处理循环约束。 萌一魄识一奄|钎一鲠一熟盟挑鲠一钆 第2 章系统开发关键技术 ( 3 ) 基于生成历程的过程构造法 该方法采用一种称为参数化履历( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的机制，通过记录几何体素 在图形构成过程中的先后顺序及连接关系，捕捉设计者的意图，不像变量几何法那样求 解非线性方程组，因此模型可以很复杂，常用于三维实体或曲面的参数化建模。三维建 模可以看作是由若干简单的子模型经过多次运算组合而成。基于模型的生成历程进行参 数化建模时，可被参数化的对象应当是历程树中所包含的数据，这些数据分为两类，一 类是基本模型数据，另一类是各种运算参数。基本模型包含各类体素和用于扫描变换的 平面图形。常见的体素有圆柱体、长方体、球、圆锥、圆台等，只要给出体素的各特征 尺寸，便可直接生成体素模型。平面图形可用前面介绍的变量几何法参数化，参数化的 尺寸及施加的各类约束都保留在模型的生成历程中。因此，可参数化的基本模型数据是 各种体素特征尺寸和平面图形的几何尺寸，如长方体的长、宽、高、圆柱体的高度和底 面半径等。中间子模型或最终模型是由运算生成的，所以历程树中的这类模型内包含了 各类运算参数。参数形式与运算类型有关，几何建模中的常见运算类型有各种布尔运算、 扫描变换、倒角与倒圆角以及定位操作等。因此可以变量化的运算参数有：拉伸变换中 的拉伸距离、扭转角与扩张角、旋转变换中的旋转角度、行程和半径增量、倒圆半径、 侧角角度和长度、图案运算的图案尺寸和数量，以及各种绝对和相对距离、角度等。 2 2 基于p r o e n g in e e r 的参数化设计和建模 2 2 1 基于p r o e n g in e e r 的参数化设计方法 基于p r o e n g i n e e r 的参数化设计方法分为两种：基于程序库的参数化设计方法和基于 参数化图库的参数化设计方法刚。 ( 1 ) 基于程序库的参数化方法 基于程序库的参数化设计方法是将不同种类的零部件的几何参数分别存储于不同的 数据文件中，运用开发工具编制若干具有独立功能的程序模块，用户输入少量的信息和 参数后，启动相应的程序模块，自动完成数据访问、数据运算、构造编辑实体等操作， 从而自动生成所需要的图形。该方法可用图2 3 描述。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 该方法的实质是程序模块的设计和数据文件的建立。各图形子程序模块使用 p r o t o o l k i t 提供的绘图函数编写，实现复杂模型的几何造型。基于程序库的参数化程 序编写的全部的p r o e n g i n e e r - - 维、三维绘图命令，使用编程的方法工作量大，过程非常 复杂，完全用编程的方式进行模型的三维造型在实践中很少使用。 ( 2 ) 基于参数化图库的参数化方法 基于参数化图库的参数化设计方法是建立一个参数化的三维图库，当建立一个新的 零部件时，只需要引用图库中相应的参数化模型，同时在输入参数管理界面程序中填入 合理的数据( 对参数赋值) ，由c a d 系统自动进行参数替换，即可得到需要的三维模型。 该方法可用图2 4 瞄述。 图2 - 4 基于参数化图库的参数化方法 f i g 2 - 4p a r a m e t e r i a lm e a n sb a s e do hc h a r tb a n k 基于参数化图库的参数化方法有很多优点，如开发者不需要掌握p r o t o o l k i t 绘图 函数、方法简单方便等等。因此虽然采用此方法，开发者需要构建零部件的三维参数化 图库，提取参数并建立数据文件，前期工作量较大，但是这仍是使用最方便最广泛的参 数化建模方式。 2 2 2 基于p r o e n g in e o r 的零件参数化建模方案选择 p r o e n g i n e e r 提供了三种方法可以实现零件的自动建模，即用户定义特征法( u d f 法) 、族表程序法和特征描述法，它们瑕瑜互现，在具体运用上应根据实际情况进行分 析，需要考虑的问题主要有：实现方式是否简单可行；人机交互性是否强：建模的自由 性是否高；系统的使用效率是否高等【1 9 1 。 下面对这三种实现方法做详细的分析，结合考虑大部分完井管柱和井下工具的特 点，选择合适的方案。 ( 1 ) 用户定义特征法 用户定义特征法简称u d f 法( u s e rd e f i n e df e a t u r e ) ，它相当于组合、复制特征中的 新参考以及阵列的合成，可以生成外形相同的特征，使用非常灵活。可以将它们保存在 第2 章系统开发关键技术 u d f 库中，随时可以调用。u d f 可以适用于多种场合，可以应用于不同的模型，而且还 可以使用新的u d f 替换，也可以使用己有的u d f 来定义新的u d f 。在建立u d f 之前，首 先要创建一个要复制的特征。u d f 的创建大致分以下几步： u d f g l j 建。绘制要进行复制的特征后，在打开u d f 库，可以创建新的u d f 库， 修改原有的u d f 库，列出当前目录下所有的u d f 库，管理当前的u d f 库，还可以比较原 始的u d f 库和复制后的差异。如果要新建一个u d f 库，首先要输入u d f 库名，再选择u d f 库特征，u d f 库有两个特征：独立特征和相关特征，前者把原始特征或零件的所有信息 都复制到u d f ，后者复制原始特征或零件的大部分信息，并且随着当前零件的变化而变 化。最后选择u d f 库元素信息。保存时保存为扩展名为g p h 的文件。 放置u d f 。放置u d f 时可以对要建立的模型的尺寸进行修改。如：保持原始尺 寸的大小及标注方法，重新设定尺寸与标注方法等。 u d f 更换。如果u d f 已经放置好，只需选择要替换的u d f ，调入一个新的u d f 即实现更换。u d f 法要预先手工构建产品模型，模型创建后定义要包含的几何特征、参 考基准、可变尺寸以及可变尺寸的记号，然后将这些信息存为一个扩展名为g p h 的文件。 这样就可以在程序中通过这个文件来改变尺寸，产生所需的衍生件。 这种方式所编的程序与手工建模方式的过程比较相似，因而更容易理解，而且其建 模的自由性、人机交互的能力也都比较让人满意。 ( 2 ) 族表加程序法 p r o e n g i n e e r 提供了族表功能，即在零件设计时，如果某些零件非常相似，可以不必 一个个单独建立，可以建立一个父零件( o e n e f i em o d e l ，也叫基准零件) 来建立一系列 与之相似的零件。通过族表，可以复制一系列相似的零件，从而提高零件设计效率。在 p r o e n g i n e e r 环境下，建立族表的过程比较简单，选取“零件“族表”菜单可建立一个族表， 当族表建立好后，只要选取任一零件的名称，就可以打开此零件。族表有两种输出方式， 一种是文本方式，一种是p r o t a b l e 形式，前者更具有通用性。族表还可以在e x c e l 环境 下修改族表中的各参数及其值，直接更新p r o e n g i n e e r d p 的模型。 p r o p r o g r a m 是p r o e n g i n e e r 提供的一个可程序化工具，有简单的使用语法，对于每 一个模型，它会将模型树( m o d e lt r e e ) 中的每个特征的详细信息记录下来，用户可以 根据设计需要来编辑该模型的p r o g r a m ，使其作为一个程序来工作。通过运行该程序， 系统可以以人机交互的方式控制系统参数、特征显示及特征的可变尺寸等。可见在 p r o e n g i n e e r q a ，“程序”是进行零件和装配设计的一个重要工具，可以通过编辑简单的程 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 序语言来控制零件和装配件的设计，通过“程序”可以控制零件中特征的出现与否，装配 件中零件的出现与否，尺寸的大小，零件的个数等，可以很方便地设计一系列不同的产 品。完成零件或装配的“程序”设计后，当读取该零件时，根据其各种变化情况，通过问 答的方式得到不同的几何形状，使产品设计更加具有弹性从而容易建立产品零件库，以 实现产品设计的要求。 ( 3 ) 特征描述法 特征是一个局部的概念，它将整体式几何体描述结构转化为局部式几何体描述，拓 扑关系结构简单，再辅以简单的规划，便能容易地让计算机理解。特征是实体信息的载 体，这种信息是与制造过程有关的并具有工程意义。每个特征由不同的特征元素树 ( f e a t u r ee l e m e n tt r e e ) 定义，在程序中需要对每个特征元素树的全部变量赋值一次， 产生一个特征，多个特征的积累就形成了产品的模型。 目前，采用特征描述法实现零件特征建模，主要有以下种途径： 重构几何实体建模。这是采用用户自定义特征，在基体上实施布尔运算来获取 零件特征模型。因为用户自定义特征常常是制造特征，因此不可避免地约束了设计人员 的思维活动； 特征识别。这是从传统c a d 的实体模型中识别出下游生产活动( 如c a p p ) 所需 要的特征信息。特征识别技术虽然研究多年，但是能通过自动识别而提取的特征仍然很 有限，且无法识别交互性特征。 基于特征的设计，理论上允许采用任何种类的特征进行设计，但是由于产品设计与 工艺设计选用的特征可能不一致，在很多情况下，用户仍需建立特征造型的后置处理系 统来实现c a d 与c a m 的信息集成。 在p r o t o o l k i t 中，每一个特征由不同的特征元素树( f e a t u r ee l e m e n tt r e e ) 来定 义。在程序中每个特征元素树的全部变量赋值一次，就可以产生一个特征，多个特征的 积累就形成了产品模型。与其它方法相比，特征描述法建模较自由，配合v c 的m f c 类 库和对话框技术使得这种方式在建模的人机交互、建模的速度方面有许多优点，但是目 前这种方式还有很多值得完善的地方，比如要由程序产生模型，程序必须包含产品模型 的所有信息，从底层起由程序构建模型，编程量大。由于各种特征都由不同的特征元素 树来描述，所以不仅编程难度大而且所编程序非常难以理解，因此并不是所有的特征都 可以用这种方式生成。 以上这三种方法各有特色，其优缺点及运行环境相互对比见表2 1 ，在具体运用中 第2 章系统开发关键技术 应根据实际情况需要加以分析选择【1 ”1 l 。 表2 1 三种建模方案比较 u d f 法族表加程序法特征描述法 创建过程简单，易 可以利用v c 的可视 实现起来简单方 于理解，系统界面化界面技术，人机 优点 便，而且衍生件的 与e r o m n g i n e e d k 格交互能力好，建模 一致 产生独立存在 自由性高 编程难度大，且程 人机交互能力一建模的自由性受到 序比较难以理解， 缺点 般，开发程序的过 父零件的束缚，人 程与手工建模相似机交互能力一般 并不是所有的建模 都适合用这种方式 在p r o e n g i n e e r q b 建 用p t c 公司提供的 立基准模型，存储 在e r o n ! n g i n e e r 中利 运行 p r o 厂r o o l k i t 中的 后的其他工作由 用“族表”和“程序” 环境 底层函数和v c 纯代 p r o t o o l k i t 提供即可 码建模 的底层函数完成 针对上表进行分析，若采用第二种方法，虽然简单实用，但是其建模的自由性受到 父零件的束缚，人机交互性一般，并且技术上已经非常成熟，扩展的空间不大；采用第 三种方法，虽然建模自由性好，使用方便，但是整个开发过程非常复杂，即使当整体的 框架建立起来并为后续数据库的载入预留接口以后，仍然需要有专业的设计开发编程人 员才可以进行功能扩展，不利于随时改进；而采用第一种方法u d f 法，开发过程简捷 明了，准确度高，在建模的过程中，很多步骤与手工建模方法相通，而且沿用了 p r o e n g i n e e r 风格的系统界面，具有良好的人机交互性，对于普通的机械行业人员，无 论是产品的设计开发还是新功能、新零部件的扩展，都会感觉十分的方便快捷，可以轻 松实现零件的建模。目前基于p r o t o o l k i t 的用户定义特征建模结合v c 程序进行系 统开发的研究方兴未艾，而将其运用在完井生产管柱及其井下工具的设计中，具有一定 的创新意义。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 三维零件图形库技术 2 3 i 参数化零件图形库 参数化零件库就是将各种标准件或零件的信息存放在一起，并配有管理系统和具有 相应c a d 标准接口的软件系统。用户可以对零件库系统进行查询检索、访问、提取所需 的零件信息，供设计、制造等工序使用。参数化零件库对于企业产品设计过程的标准化 管理，产品零件的种类和数量合理化，降低设计成本和生产成本都具有非常重要的作用。 具有标准数据格式的零件库可以取代产品目录，完成企业之间的信息集成，提高c a d 应 用水平。参数化零件库有着极其广泛的应用，它可应用于机械、电子、轻工、汽车、航 空航天、造船等各个领域。据有关资料报道，采用参数化零件库技术可以将新产品设计 时间缩短一半以上，产品的生产成本减少2 0 以上【2 5 】。 以往的零件库大都是二维的，而当今的c a d 软件大都已实现三维建模，所以三维零 件模型设计和建库已经成为c a d 技术发展的主流。本课题建立的零件库是以参数化建模 技术为基础，建立井下工具的基准模型库，通过对基准零件模型的尺寸驱动，实现零件 的自动生成。 2 3 2 参数化零件图形库的建立方式 参数化图形库的建立一般分两种，一种是采用编程绘制的办法，即根据所给的参数 通过程序动态绘制出零件图形的参数化程序库，这种做法工作量大，程序复杂，由于计 算等原因还可能得不到需要的图形。另一种是绘制好零件的模板图形，然后由程序对需 要修改的尺寸进行驱动即可。这种做法建立的图形库的开放性比较好，易于维护。 完整的零件库由零件信息、零件几何图形程序、零件信息传输接d - - - 部分组成。零 件库的建立是为了实现供应商和企业之间的信息交换及设计资源的充分利用，其中的零 件对象应该是对已有设计资源充分优化的结果，而绝不只是设计结果的积累。 为了实现零件资源的优化，将设计、工艺、制造等不同学科的工作人员组成项目组， 对零件结构进行彻底的分析，完成零件的标准化、规范化定义。这一过程包括零件分类、 名称分析、几何形状分析、参数分析等步骤1 2 6 - 2 7 1 。 ( 1 ) 零件分类 把零件进行分类可以系统地对零件进行管理，并且支持快速有效地检索、缩短查找 时问、便于重复件的使用。从零件的资源属性、功能属性、解原理属性和结构属性出发， 建立包括资源属性层、组对象类层、族对象类层三个层次的分类体系。通过这三个层次 的抽象，可以实现零件资源由一般到具体的分类定义，最终指向一类具有相同功能定义、 第2 章系统开发关键技术 解原理定义和结构定义的对象类，便于按照功能、解原理、结构等不同入口条件对零件 进行检索。 ( 2 ) 零件名称分析 零件名称分析是为了建立统一的、无冗余的零件名称字典，支持p d m 系统的有效应 用。由于企业中命名体系或标准的多样化，导致零件名称比较混乱。在难以统一零件名 称时，可以采用面向几何形状的命名方法，减少名称的不一致性和一物异名的状况，建 立统一、无冗余的零件名称体系，为零件库检索及管理提供支持。 ( 3 ) 零件几何形状分析 零件几何形状分析的目标是减少零件种类，优化零件结构。企业在长期的设计活动 中，由于技术和管理方面的种种原因，往往对实现同类功能的零件有多种多样相似的设 计，形成几何形状相似的零件族。通过对零件的几何形状分析，可以发现这些几何上相 似的零件族，然后在对零件的功能、原理及结构分析的基础上，提出具有代表性的零件 几何模型，使得该模型满足零件的功能要求和约束要求，为零件库提供图形基础。 ( 4 ) 零件参数分析 零件参数分析的目的是减少零件参数，进而减少工具、夹具种类，简化加工过程。 一个零件或部件的参数有多种类型。进行零件参数分析时，首先对参数的类型进行分类， 初步确认参数是否是工艺参数，如倒角、圆角、拔模斜度等：然后确认参数是变动参数 还是不变参数，并根据设计中的约束限制，如强度约束、稳定性约束等条件，进一步找 出变动参数中可以不变的参数集合，归并到不变参数集合中。有时，在满足约束条件的 前提下对多个孔、槽等采用同一尺寸，这样做尽管单个零件不是最优，但通过减少加工 工具、工装设备等，降低了加工成本，简化了管理，实现了整体的优化。 2 4p r o t 0 0 l kit 二次开发技术 p r o t o o l k i t 是p t c 提供的专门用于对p r o e n g i n e e r 进行二次开发的软件包，它为用 户或软件第三方程序提供了与p r o e n g i n e e r 的无缝连接。p r o t o o l k i t 软件包提供了大量 的c 语言库函数，使得我们可以利用c 语言编程来增力n f r o e n g m e e r 的功能，可以说， p r o t o o l k i t 是p r o e n g i n e e r 的应用程序接口( a p i ) 。 ( 1 ) p r o 厂r 0 0 l t 应用程序模式 p r o t o o l k i t 应用程序主要有两种模式：同步模式( s y n c h r o n o u sm o d e ) 和异步模 式( a s y n c h r o n o u sm o d e ) 。两者的区别之一是在同步模式下，p r o t o o l k i t 应用程序 和p r o e n g i n e e r 不能并行地执行操作。也就是说，每个进程都能给另一个进程发送信息以 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 请求执行某些操作，但是，该进程必须等到另一个进程报告操作己完成的返回信息后才 能执行某些操作。控制权在两个进程之间交替，其中一个常处于等待状态。而在异步模 式下，p r o t o o l k i t 应用程序和p r o e n g i n e e r 能并行地执行操作，它通过遥控程序调用作 为应用程序与p r o e n g i n e e r 之间的通信方式。两种模式之间的另一个区别就在于 p r o t o o l k i t 应用程序的启动。在同步模式下，应用程序由p r o ，e n g i i l e e r 启动，并基于注 册文件中包含的信息；在异步模式下，应用程序是独立于p r o e n g i n e e r 启动的，启动后它 既可以启动p r o e n g i n e e r ，也可以连接到一个p r o e n g i n e e r 的进程中。需要注意的是，启 动p r o e n g i n e e r 的异步模式的应用程序并不会出现在辅助应用程序的对话框中。从上述分 析可知，当p m 彻l t 程序与p r o e n 西删程之间只存在单向消息传递时，也就是说 只有应用程序往p r o e n g i n e e r 发送消息，在这种情况下宜采用简单异步模式；当存在双向 通信时，宜采用全异步通信模式。本文通过菜单、对话框向p m ，e n 百n e e r 发送消息，因此 采用同步模式。 由于在本论文中应用的主要是同步模式，所以在以后介绍的主要是和同步模式相关 的技术。 同步模式又可分为两种1 2 8 1 ：动态链接库模式( d l lm o d e ) 和多过程模式 ( m u l f i p r o e e s