（机械设计及理论专业论文）顶驱钻机虚拟样机原型系统研究与实践.pdf

华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 1 绪论 石油是一种战略资源，勘探和开采石油具有高投入、高产出的特点，各国为降低开 采石油的成本进行了长期不懈的努力。顶部驱动钻机装置t d s ( t o pd r i v es y s t e m ) 是 近年来发展起来的一种先进的钻井设备，以它为主体构成的新型钻井系统顶部驱动 钻井系统( t o pd r i v ed r i l l i n gs y s t e m ) ，是集机械工程、流体力学、电机及自动控制等 领域的新技术为一体的先进钻井模式【l 2 】。顶部驱动钻机装置( 简称：顶驱钻机) 钻井 系统首先应用在海洋钻井船上，目前美国v a r c obj 公司口】【4 】【5 】【6 】和n a t i o n a l o i l w e l l 公司 ”j 、挪威m a r r i t i m eh y d r a u l i c 公司【，以及加拿大t e s c o 公司【9 】的顶驱装置都在陆地石油 钻机上推广应用l o 】【1 1 】【1 2 【1 3 l 。中国石油天然气集团公司将其列为重点项目，自主开发了 d q 一6 0 1 ) 型直流电驱动顶驱装置，1 9 9 7 年1 1 月通过了中国石油天然气集团公司的技 术鉴定。液压驱动d q 2 0 y 钻修两用顶驱也于2 0 0 0 年8 月通过现场测试1 1 4 l 。 顶驱钻井系统是一个复杂系统，传统的“设计一试制一评价”产品设计方法，以制 造“物理样机”和设计流程的“多轮反复”为特征，耗时多、投入大，而且不能用于指 导创新设计，难以满足钻探市场的需求。顶驱钻机是钻井系统的核心设备，钻探井深和 地质条件的不同，对钻探设备要求差异很大，只有快速设计和制造出所需要的顶驱钻机 且性能稳定可靠，才能满足钻探市场的需要。 快速设计和制造顶驱钻机且保证性能稳定可靠，就要求采用相关的高新技术。随着 计算机技术和信息技术的发展和深化，参数化造型技术、虚拟样机( v i r t u a l p r o t o t y p i n g 。 简称v p ) 技术、产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，简称p d m ) 技术等这些技 术极大的推动了企业信息化的发展，缩短了新产品设计开发过程。计算机辅助设计与制 造技术( c a d c a m ) 【1 5 l 【1 6 】作为一项直接支持设计和制造的高新技术，自问世以来，已 经对制造业产生了不可估量的影响。制造业的水平反映了国家的总体工业水平，是国家 综合国力中的重要指标。对石油装备制造企业来讲，设计水平的高低是决定企业市场竞 争力的关键因素之一。 目前拥有参数化设计能力的c a d 系统和虚拟样机技术在企业中己广泛使用。在设 计的过程中，研究如何利用企业现有的设计知识、理论、技术进行参数化造型：如何在 设计过程中将c a d 造型技术、v p 技术、p d m 技术有机结合，这两方面都是值得进行 深入研究的课题。有效利用现有的c a d 系统和v p 技术对复杂系统模型的约束集进行 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 1 绪论 石油是一种战略资源，勘探和开采石油具有高投入、高产出的特点，各国为降低开 采石油的成本进行了长期不懈的努力。顶部驱动钻机装置t d s ( t o pd r i v es y s t e m ) 是 近年来发展起来的一种先进的钻井设备，以它为主体构成的新型钻井系统顶部驱动 钻井系统( t o pd r i v ed r i l l i n gs y s t e m ) ，是集机械工程、流体力学、电机及自动控制等 领域的新技术为一体的先进钻井模式【l 2 】。顶部驱动钻机装置( 简称：顶驱钻机) 钻井 系统首先应用在海洋钻井船上，目前美国v a r c obj 公司口】【4 】【5 】【6 】和n a t i o n a l o i l w e l l 公司 ”j 、挪威m a r r i t i m eh y d r a u l i c 公司【，以及加拿大t e s c o 公司【9 】的顶驱装置都在陆地石油 钻机上推广应用l o 】【1 1 】【1 2 【1 3 l 。中国石油天然气集团公司将其列为重点项目，自主开发了 d q 一6 0 1 ) 型直流电驱动顶驱装置，1 9 9 7 年1 1 月通过了中国石油天然气集团公司的技 术鉴定。液压驱动d q 2 0 y 钻修两用顶驱也于2 0 0 0 年8 月通过现场测试1 1 4 l 。 顶驱钻井系统是一个复杂系统，传统的“设计一试制一评价”产品设计方法，以制 造“物理样机”和设计流程的“多轮反复”为特征，耗时多、投入大，而且不能用于指 导创新设计，难以满足钻探市场的需求。顶驱钻机是钻井系统的核心设备，钻探井深和 地质条件的不同，对钻探设备要求差异很大，只有快速设计和制造出所需要的顶驱钻机 且性能稳定可靠，才能满足钻探市场的需要。 快速设计和制造顶驱钻机且保证性能稳定可靠，就要求采用相关的高新技术。随着 计算机技术和信息技术的发展和深化，参数化造型技术、虚拟样机( v i r t u a l p r o t o t y p i n g 。 简称v p ) 技术、产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，简称p d m ) 技术等这些技 术极大的推动了企业信息化的发展，缩短了新产品设计开发过程。计算机辅助设计与制 造技术( c a d c a m ) 【1 5 l 【1 6 】作为一项直接支持设计和制造的高新技术，自问世以来，已 经对制造业产生了不可估量的影响。制造业的水平反映了国家的总体工业水平，是国家 综合国力中的重要指标。对石油装备制造企业来讲，设计水平的高低是决定企业市场竞 争力的关键因素之一。 目前拥有参数化设计能力的c a d 系统和虚拟样机技术在企业中己广泛使用。在设 计的过程中，研究如何利用企业现有的设计知识、理论、技术进行参数化造型：如何在 设计过程中将c a d 造型技术、v p 技术、p d m 技术有机结合，这两方面都是值得进行 深入研究的课题。有效利用现有的c a d 系统和v p 技术对复杂系统模型的约束集进行 华中科技大学硕士学位论文 分析和求解，使设计工作简化，有效缩短设计周期，不仅要研究c a d 系统、v p 技术 和p d m 技术的特点，同时也要研究企业的特点。因此，对c a d 造型的指导与创新， 将企业的设计知识、理论、技术与c a d 设计过程融合，将v p 技术和p d m 技术贯穿设 计过程，以提高设计效率与质量，对制造业( 包括石油装备制造业) 的设计水平及其本身 的发展有着重要的意义。 1 2 国内外相关研究综述 1 2 1 虚拟样机技术 1 、虚拟样机技术概述 v p 技术源于对多体系统动力学的研究。目前，多体系统动力学己形成了比较系统 的研究方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿 一欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。尽管v p 技术以 机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，但没有成熟的三维计算机图形技术和基于 图形的用户界面技术，v p 技术也不会成熟。v p 技术在技术与市场两个方面，也与计算 机辅助设计( c a d ) 技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先，c a d 中的三维几何造 型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去 做。这样，设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使 v p 技术中的机械系统描述问题变得简单。再次，由于c a d 强大的三维几何编辑修改 技术，使机械设计系统的快速修改变为可能，在这个基础上，在计算机上的设计、试验、 设计的反复过程才有时间上的意义。 目前，v p 技术已成为一项相对独立的产业技术，它改变了传统的设计思想，将分 散的零部件设计和分析技术( 如零部件的c a d 和f e a 有限元分析) 集成在一起，提供 一个全新研发复杂产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计，保证产 品寻优开发过程顺利进行，对制造业产生了深远的影响。 随着技术的发展，对于v p 的概念不同领域对它的定义各有不同。例如，m d i 公司 1 7 】提出v p 是在物理样机前优化设计的软件，它允许工程小组移动零件建立产品模型并 仿真其全部运动行为。北美技术工业基础组织( n a t i b o ) 对用于改革美加间军事服务的 仿真采用的协同虚拟样机( c o l l a b o r a t i v ev p ，简称c ) 的定义【ls 】：c v p 是分布式建模 和仿真在支持系统开发全生命周期中性能折衷分析的集成环境的应用，基于集成产品和 过程开发( i n t e g r a t e d p r o d u c t sa n dp r o c e s s d e v e l o p m e n t ，简称i p p d ) 的新的设计开发范例。 l o c l d a e e d m a r t i n 和他的供应链成员针对跨越多组织复杂大系统设计的下一代虚拟样机 2 华中科技大学硕士学位论文 分析和求解，使设计工作简化，有效缩短设计周期，不仅要研究c a d 系统、v p 技术 和p d m 技术的特点，同时也要研究企业的特点。因此，对c a d 造型的指导与创新， 将企业的设计知识、理论、技术与c a d 设计过程融合，将v p 技术和p d m 技术贯穿设 计过程，以提高设计效率与质量，对制造业( 包括石油装备制造业) 的设计水平及其本身 的发展有着重要的意义。 1 2 国内外相关研究综述 1 2 1 虚拟样机技术 1 、虚拟样机技术概述 v p 技术源于对多体系统动力学的研究。目前，多体系统动力学己形成了比较系统 的研究方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿 一欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。尽管v p 技术以 机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，但没有成熟的三维计算机图形技术和基于 图形的用户界面技术，v p 技术也不会成熟。v p 技术在技术与市场两个方面，也与计算 机辅助设计( c a d ) 技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先，c a d 中的三维几何造 型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去 做。这样，设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使 v p 技术中的机械系统描述问题变得简单。再次，由于c a d 强大的三维几何编辑修改 技术，使机械设计系统的快速修改变为可能，在这个基础上，在计算机上的设计、试验、 设计的反复过程才有时间上的意义。 目前，v p 技术已成为一项相对独立的产业技术，它改变了传统的设计思想，将分 散的零部件设计和分析技术( 如零部件的c a d 和f e a 有限元分析) 集成在一起，提供 一个全新研发复杂产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计，保证产 品寻优开发过程顺利进行，对制造业产生了深远的影响。 随着技术的发展，对于v p 的概念不同领域对它的定义各有不同。例如，m d i 公司 1 7 】提出v p 是在物理样机前优化设计的软件，它允许工程小组移动零件建立产品模型并 仿真其全部运动行为。北美技术工业基础组织( n a t i b o ) 对用于改革美加间军事服务的 仿真采用的协同虚拟样机( c o l l a b o r a t i v ev p ，简称c ) 的定义【ls 】：c v p 是分布式建模 和仿真在支持系统开发全生命周期中性能折衷分析的集成环境的应用，基于集成产品和 过程开发( i n t e g r a t e d p r o d u c t sa n dp r o c e s s d e v e l o p m e n t ，简称i p p d ) 的新的设计开发范例。 l o c l d a e e d m a r t i n 和他的供应链成员针对跨越多组织复杂大系统设计的下一代虚拟样机 2 华中科技大学硕士学位论文 m e x t - g e n e r a t i o nv p 。简称n g v p ) 的定义【1 9 】：v p 应支持产品全生命周期并可适用于整 个系统工程从概念设计到训练的多种需求，它应该捕获所有与产品定义相关的信息，提 供与产品行为全方位交互的机制，产品的复杂性迫使v p 部件的详细知识分布共享在供 应链组织间。以上研究表明，v p 概念正向广度和深度发展，其范畴正从单一领域向多 领域综合设计扩展，涉及的内容从产品c a x d f x 设计向面向系统全生命周期的过程、 业务和商业化设计扩展，目的上从设计优化向决策分析和知识重用拓展，方法上从单系 统建模仿真向复杂系统并行协同设计发展。 因此，v p 技术 2 0 l 是一种在i p p d 方法论指导下一种集成的、跨学科的、并行协同的 技术，它利用虚拟现实( v r ) 等先进的交互手段、支持跨多领域的组织重组和产品重构、 提供产品全方位多粒度数据、支持集成产品小组o p t ) 并行协同设计和产品及过程的智 能决策优化的、面向全生命周期的集成分布式建模仿真技术。它以人为中心，将优化产 品开发过程的方法与v r 技术相结合，集成不同领域的模型，不依赖物理样机就可及早 的进行有效的、可验证的设计工作，提高了产品开发项目中开发者与开发者、产品和客 户的交互，使设计面向过程，面向市场。 同时，有机地结合现代管理理论、系统工程方法学，涉及多体系统运动学与动力学 建模理论及其技术实现，将不同工程领域的开发模型融合在一起，建立复杂产品的基于 物理的仿真模型，为产品的全生命周期设计和评估提供分布式的集成化环境【2 0 】【2 1 1 。所 谓复杂产品是指客户需求复杂、产品组织复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管 理复杂的一类产品，如航天器、飞机、汽车、复杂机电产品、武器系统等口”。 在产品设计开发过程中，v p 技术将分散的零部件设计和分析技术( 指在某单一系统 中零部件的c a d 和f e a 技术) 柔和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型并针对 该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设 计、提高产品性能。它是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统 的设计与制造过程弊端的高新技术，其核心是：机械系统运动学、动力学和控制理论【矧。 在复杂产品中，其虚拟样机是一个复杂系统，它不仅组成关系复杂、与外界环境交互复 杂、开发过程复杂，而且涉及的仿真类型多、学科领域多，应用范围广。它涉及虚拟仿 真和构造仿真；涉及的领域包括机械、电子、软件和控制动力学领域：可被应用于工程 仿真系统、交战仿真系统、任务仿真系统和体系对抗仿真系统中【2 4 】。v p 技术是提供跨 学科、跨多领域、并行协同的分布式集成化软件环境。 目前，v p 技术已从单一领域向多领域、从单一系统向复杂产品系统、从单一计算 到分布式协同方向发展，但归纳起来v p 技术的内涵如下： v p 是一种产品全生命周期基于模型的不断提炼与完善过程： 华中科技大学硕士学位论文 v p 是跨学科、跨多领域、并行协同的产品开发的分布式集成化环境； v p 是从系统的层面来分析复杂产品系统，支持由上至下的复杂产品系统开发模式。 2 、国内外研究与应用 作为一项九十年代从c a x d f x 等技术发展而来的先进制造系统建模仿真设计方法， v p 是虚拟制造m ) 的关键使能技术，它有助于企业作出前瞻性的决策，实现产品创新 和总体优化，适应不断变化的用户和市场，特别是对设计复杂、制造成本高、周期长、 污染环境、批量定制和不可能制造多台物理样机的行业的应用前景看好，必将成为产品 研发的主流。其应用和研究领域己从国防、航空航天发展到工程机械制造等很多方面， 其中有著名的波音、通用和福特公司等。我国“十五”期间也专门立项，并针对复杂产 品部件级v p 进行论证、研制的应用验证，从而总结一套v p 实施应用的模式和方法， 推动我国v p 研究和应用的发展。 在v p 的研究领域主要集中在v p 的体系结构以及实现对现有技术的集成等方面， 在国外，最初的v p 是在c a d 模型和v r 的基础上发展起来的，着重于样机的物理特 性的仿真，如外观、空间关系以及运动学、动力学等方面，强调用户端交互技术，使用 户应能从不同角度、比例，观察操纵v p ，对产品的功能进行定性的决策和判断。如德 国弗朗霍夫计算机图形研究所的v p ，其体系结构【2 5 】如图1 1 所示。 图1 1 德国弗朗霍夫计算机图形研究所的v p 体系结构 4 华中科技大学硕士学位论文 随着并行工程的发展，支持协同设计的c v p 应运而生。c v p 是一个基于i p p d 的新 设计开发的范例，是在企业与政府之间建立母t s 的关键使能技术，主要由底层支撑各 功能和交互的集成框架和上层提供口t 成员用户交互服务层组成，其体系结构如图1 2 所示。c v p 使得i p t 成员通过数字模型和数据交换进行并行交互，在构建真实系统前 实现功能、性能和过程的测试、验证和评估，更多的关注生命周期的经济性、支持性和 可维护性，并通过v m 加快生产过程。 1 9 7 9 年，随着c v p 有效开展和全球经济一体化进程的发展，美能源部和国防部提 出了下一代制造、下一代基于仿真的采办等框架，l o c k h e e dm a r t i n 和它的供应链成员 针对跨多组织的复杂大系统设计提出了：考虑目前商业技术、框架、组织文化和性价比 的n g v p 体系结构如图1 3 所示。主要在控制系统复杂度的前提下，提供一切与产品定 义有关的信息和参与所有产品行为的机构，实现v p 的可重用性、规模可变性、易普及 性、可靠性、可维护性、和合理性。目标是：生成开放的、可扩充的、集成的、同步的、 多领域的产品表达模型；在正确的时间提供正确的最新数据；集成应用并用于功能和性 能评估，优化生命周期成本所需的数据，考虑定性和定量因素，不把错误信息带到下一 阶段并在本阶段有效防止错误的产生；生成可支持不同粒度分析的真实可执行的系统展 现；提供示范和分析所用的可执行的仿真；折忠技术和流行商业化工具( c o t s ) 。 | 嬖 用户接口 i p t 及工 产品及过功能性能产品及过 程( 准)等分析评程模型和 l 具集成 时时交互 估应用数据生成 i i p t 协同用户接口( c s c 帅 交互建模l 评估分析l 业务集成 jr l智能代理f c 域1 i 域2 l ； 域n h l a + r t i c o r b a ( i o l + 0 r b + i i o p ) 图1 2 c v p 体系结构 - 图1 3 n g v p 体系结构 由上可以看出，未来v p 必将强调部件、技术、知识的重用，强调便于v p 柔性协 同的运行管理的组织重构，强调跨领域技术的沟通支持，因此，v p 作为个面向复杂 多领域的研究方向，它需要先进的管理思路、方法论、实现技术和好的理论工具，体系 结构必须具有足够的开放性、灵活性和适应性，综合与设计相关的各领域各阶段、过程、 技术资源( 数据、知识、方法、工具) 及其组织形式。即在管理层、方法论层、实现技 术层、理论工具层等上进行相关的研究和开发，同时，结合目前面向对象( o o ) 、人工智 能( a d 、v r 等技术和组织管理哲理的发展以及目前c i m s 的发展和研究，基于i i p d 的 5 华中科技大学硕士学位论文 复杂产品系统的新的v p 体系结构层出不穷。 翻1 4 新一代v p 体系结构 在国内，许多学者做了多方面的研究并取得了阶段性的成果和成功的应用。如张卫 等人提出的新一代v p 体系结构如图1 4 所示。他们通过对v p 概念和体系结构各阶段 发展的研究，结合目前c i m s 研究成果和当今最新技术，在i p p d 方法论的指导下，提 出了新一代v p 的概念和新的体系结构，解决了v p 的i p t 间跨领域协同工作、智能决 策和系统重用重构等热点问题。杜湘瑜、黄柯棣研究了v p 实现方法【2 6 】，提出了一些关 键的体系结构设计的原则和概念，改进了复杂系统虚拟样机开发的实现过程。在建立支 持复杂系统虚拟样机开发的体系结构时，应面向复杂系统的特性，紧密结合现有体系结 构的优势，努力使其满足面向全生命周期趋势的仿真需求。 李伯虎、柴旭东等人研究了复杂产品虚拟样机技术内涵、组成、运行模式、体系结 构及其相关关键技术，给出了一个支持复杂产品( 含机械、电子、软件、控制等子系统) 虚拟样机开发的支撑环境( 包括v p 开发环境，标准数据交换格式，分布式产品模型数 据库三部分) 。其体系结构，支撑环境 2 2 1 如图1 5 和图1 6 所示。他们从全局出发，研究 涉及系统全局的问题，考虑v p 的各部分之间的关系，规定和协调各分系统的运行，并 将它们组成有机整体，实现信息和资源共享，实现总体目标。在支撑软件环境中，研究 了系统集成技术、集成方法。 随着信息技术的飞速发展，系统集成技术领域发展十分迅速，如基于w e b 技术的应 用集成技术；采用面向对象和浏览器客户服务器技术，基于c o r b a 和c o m o l e 规 范的企业集成平台框架技术；以因特网和企业内部网及虚拟网络为代表的企业网络技 6 华中科技大学硕士学位论文 术；异构分布的多库集成和数据仓库技术等。其中，尤其是基于h l a 标准的先进仿真 技术的发展，提供了支持三类仿真( 构造仿真虚拟仿真实况仿真) 应用集成的综合仿 真环境，支持不同领域、不同类型的模型，仿真应用之间的互操作与重用，可实现不同 领域类型的模型，仿真应用之间的分布、协同建模，仿真，支持各类建模，仿真工具的集成 等。 v 8 丑盟些环境 粤堂竺娑。， 鑫南赫 仿真事情 v p 设计信息i 一一j 船堕剑盟d 季羹爨嘉黼荐l 模型库产品外观功能行l “一 为性能模型l 控制分系统i1 | i 机械分系统 = 品性能功能 iil 产品外观功能 行为子模型i 】ll 行为性能子模型 软件分系统ll电子分系统 品性能功能lj 产品外观功能 行为子模型i 行为性能子模型 图1 5 复杂产品虚拟样机工程系统的体系结构 v p 技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域 从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械 到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。所涉及的产品从庞大的卡车 到照相机的快门，上天的火箭到轮船的锚链。在各个领域里，针对各种产品，v p 技术 都为用户节约了开支、时间并提供了满意的设计方案。 v p 技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机 软件实现的【2 7 l 。国外v p 相关技术软件的商业化过程已经完成。目前由二十多家公司在 这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的有美国机械动力学公司( m e c h a n i c a l d y n a m i c si a c ) 的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 机械系统 自动动力学分析软件，c a d s i 的d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) 动力学分 7 华中科技大学硕士学位论文 析和设计系统软件，德国航天局的s i m p a c k 。其中美国机械动力学公司的a d a m s 占 据了市场的5 0 以上。其它软件的还有w o r k i n gm o d e l ，f o l w 3 d ，i d e a s ，p h o e n i c s ， a n s y s ，p a m c r a s h 等等。由于机械系统仿真分析提供的分析技术能够满足真实系统并行 工程设计要求，通过建立机械系统的模拟样机，使得在物理样机建造前便可分析出它们 的工作性能，因而其日益受到国内外机械领域的重视。 用户 应用层 懈l鬻l鳓i滁髑i垤剽vpcaxdfx c a x d f xc a x d f xc a s ev p 嚼 和部件i 和设备l 学系统l 焉! 。：譬i 工具和环|环境l 岘：! 孑 l l 境|l ”r r 2 l 机械领域l 电子领域j 总体系统i 控制领域l 软件开领l 协同仿真；1 i框架l 框架i框架 i框架i 域框架l 平台 ； 1 l 上一一上一一一一l 一，上上j 集成框 产品项目集成框架( 企业层框架) 8 鼻 ( p p p o c s c w w 数据转换工具) l 共性中件( c o r b a w e b t r i r o s e x m l 异步消息管理) 。 。 二二二二习需焉乒柔琴暑 操作系统和计算机硬件 一1 “ 图1 6 复杂产品虚拟样机支撑系统结构 1 2 2 产品快速设计技术 目前就产品快速设计，已取得了许多有价值的研究成果。具有代表性有： 1 成组设计技术 采用成组设计技术，可以使得新设计方案的可制造性得到基本的满足。因为新设计 方案是从成熟设计中( 数据库中) 得来的。更重要的是成组设计可以有效地控制零件种 类的繁殖，减少不必要的设计。其基本思想是：在进行产品三维c a d 设计时，首先在 深刻认识企业产品结构和功能的基础上，根据拟定的设计相似性标准将设计产品分类成 组形成设计族，针对不同的设计族，设计出能够集中全族的所有功能要素的复合零件， 并根据企业标准对其进行标准化处理。然后以此复合零件为样板在c a d 系统中建立它 的三维模型。以后在进行具体零件设计时，根据所设计零件的各功能要素及其参数，对 复合零件的三维模型进行参数和结构特征的调整，即可得到新零件的三维模型及二维工 程图【2 8 】。 2 产品变型设计技术 变型设计以关系型产品模型和与之相适应的产品信息管理系统以及基于实例推理 8 华中科技大学硕士学位论文 的智能技术为主要手段，特别强调对企业产品信息的标准化、规范化重组，通过对企业 现有成熟产品的变型再设计，使企业的宝贵信息资源得到尽可能多的重用，从而达到快 交货、高质量、低成本的快速响应竞争策略赢得市场的目的1 2 9 】。 以关系型c a d 系统作为快速变型设计产品信息重组的信息工具，重组产品信息资 源进行快速变型设计，基于产品资源的合理定义与表达，建立数字化产品信息模型，要 建立可重用的关系型产品模型，选择一个合适的、支持参数化、变量化设计的c a d 系 统是必需的。以p d m 作为快速变型设计的数据平台，将所有与产品相关的信息和产品 开发过程集成起来，创造出一种透明度很高的虚拟环境，能适应复杂多变的变型设计的 需求，保证在整个产品生命周期中使产品数据具有一致性定义的条件下，进行产品设计 的数据管理和过程控制，p d m 成为能支持基于关系型产品模型的快速变型设计的数据 平台【3 0 1 。 文献 3 h 采用基于实例的方法，并用约束条件控制实例的选择和实例的变型，论述了 面向大规模定制下的产品配置设计，介绍了实现配置设计的基础，提出了配置设计的一 般数学描述形式以及给出了实现配置设计的过程。文献p 2 1 通过分析比较产品配置设计、 产品变型设计、产品组合设计和产品创新设计之间的特点和差异介绍面向大批量定制的 产品设计方法。 3 面向重用的设计技术 面向重用的设计在部件设计时候就统筹规划，充分考虑以后的可重用性。现有设计 ( 子系统、零部件) 的结构化描述技术，即重用数据模型( 包括需求列表、设计原理、功能 方法树、零件树、基于特征的参数化模型等) 的构造。只有建立了完整的设计重用数据 模型才能实现正确的重用。因为重用不是照搬，必须满足重用的环境和约束。目前的方 法主要有事例描述、基于设计功能布置的描述等p 3 1 。 文献提出了可重用集成设计单元的思想和建模技术。它是支持设计重用的核心， 也是开展设计重用工作的前提。最终目标是建立符合规范的可重用集成设计单元模型 库，该模型库保存企业可重用的设计资源，将对新产品的设计提供支持，以减少新产品 设计中的重复劳动。文献【3 5 】将软件设计中的重用模型引入产品开发，提出基于重用的新 产品开发过程模型，构造了基于重用的新产品开发全过程，并对其关键技术进行了讨论。 同时探讨了所提模型中的面向重用的设计方法。基于软件平台概念，提出基于平台和关 键部件重用的新产品开发方法，在此基础上给出不同企业应采取的不同的重用策略，对 企业进行新产品开发具有指导意义。 文献p 6 】提出的基于知识的快速设计框架就适合于产品重用设计的情况。就是在已 存在的产品基础上按用户特殊要求，加入一些新的标准特征以形成新的产品。利用尺寸 9 华中科技大学硕士学位论文 驱动求解的强大参数化设计系统进行参数化设计，适合于随参数变化而形成的产品模 型。有助于工程师创造出新的设计概念及其衍生，也有助于工程师在使用产品开发生命 周期中后期阶段的文档进行文档管理以提高生产率。 面向重用的设计技术是一种将被动转主动的设计方法，具有很大的潜力，还有很多 问题需要深入研究。 4 可重用组件的检索技术 可重用组件的检索，研究如何从重用库中查找出满足当前设计需求的重用组件，以 及对检索到的重用组件如何进行适当修改使之能满足当前的设计需求。 目前，缺乏一种有效的组件检索方法，但有关这方面的研究探讨和相应工具也不断 出现。文献【”1 提出基于知识库的可重用构件检索系统思想，并介绍了该检索系统的总 体框架及其详细设计情况。许多人如j e n g 等人提出用形式化的规格说明进行可重用组 件的匹配【3 8 】。l o n d o n 把形式化语言z 用于可重用组件的描述和匹配p ”。z a r e m s k i 等人 提出用签名匹配作为形式化工具检索重用组件 4 0 l 。m a r e k 等人采用自然语言描述加索引 的方法来检索组件【4 ”。但根据f r a k e s 和p o l e 的调查结果显示，没有一种检索方法能满 足所有用户的检索要求，用户往往根据自己的特点采用相应的检索方法 4 2 】。目前检索技 术研究的前沿是如何开发数学基础与算法来支持基于内容的检索。 1 2 3 基于p d m 产品开发 p d m 是一项管理所有与产品相关的信息及相关的过程的技术。它集数据库的数据 管理能力、网络的通讯能力及过程的控制能力于一体，不仅能实现分布环境中产品数据 的统一管理，还能很好实现对过程、特别是设计过程的支持 4 3 1 。基于p d m 集成框架和 i n t e m e t 技术实现了产品的异地、并行和协同开发通过调整产品开发模式，使下游的产 品开发活动能尽早介入上游的设计决策过程，及时分析复杂产品中存在的各种问题，如 可装配性、可加工性、质量、成本等，提出改进意见。同时，以s t e p 建模思想为基础， 在三维零件模型的基础上，通过数字化产品建模，支持i n t e m e t 环境下的产品数据交换 与信息共享 4 4 1 。p d m 的作用不仅在于对数据的组织，而且更关注这些组织起来的数据 应该怎样用于产品设计与开发之中，从而使p d m 成为企业的知识库和资源库。p d m 能 支持异构、分布式的计算机环境，实现产品数据的统一管理与共享，方便地封装各应用 工具，并提供过程管理与监控，使制造企业更容易实现信息集成、过程集成乃至企业闯 集成。 基于p d m 的产品开发，成为企业界和学术界又一研究热点。如通用汽车公司及柯 达公司借助i m a n 产品实现了产品数据及开发流程的管理；波音公司1 9 9 3 年提出的 华中科技大学硕士学位论文 d c a c m r m 系统通过p d m 工具建立了单一的产品数据源【4 5 】。1 9 9 8 年欧洲空中客车公 司提出的a t i s 计划，应用产品数据管理软件o p t e g r a 直接为s a pr 3 提供产品装配物 料表【4 6 ：i t t 流体科技公司借助w i n d e h i l l 技术促进了其产品信息管理及流通效率：华 为公司就购买了w i n d c h i l l 及p r o i n t r a l i n k 软件以实现集成产品开发，缩短产品开发周期， 降低开发成本，并加强了不同项目及部门的管理。国外的主要p d m 软件系统发展己相 当成熟，如美国s d r c 公司的m e t a p h a s e 、c v 公司的o p t e g r a 、e d s 公司的i m a n 、以 色列b a i n 公司的m a n t a 、p c t 公司的p d m 系统p r o i n t r a l i n k 等，凭借其雄厚的实 力和丰富的功能在国内占有很大市场。9 0 年代以来p d m 技术的应用在我国也得到飞速 发展。国内p d m 系统的开发和应用方兴未艾，其中著名的有，华中科技大学的天喻信 息软件公司的i n t e p d m 3 0 、清华大学的高华公司的g h p d m s ，中科院凯患公司、南京 同创公司和东北大学的阿尔派公司等都开发了自己的p d m 产品。为了与国外厂家竞争， 占领相应的市场份额，开发出具有国际水平的p d m 系统已是当务之急。 当p d m 系统被广泛地用于减少产品开发时间的时候，它需要和c a d 系统交换数据。 文献【4 7 】介绍了运用u m l 映射图映射产品结构数据，通过概念设计阶段的规划映射实现 c a d 系统和p d m 系统进行产品数据交换。并结合在s d k cm e t a p h a s ep d m 系统和 i d e a sc a d 系统之间进行u m l 映射的具体实例论述了c a d 与p d m 系统的应用集成。 随着互联网的发展，建立了不少介绍与p d m 相关的产品开发研究成果、解决方案 和应用案例的网站1 4 2 j 。 1 3 本文研究工作概述 对于虚拟样机的研究特别是对虚拟样机体系结构和系统集成开发等的研究，国外的 研究与应用比较成熟，国内也开展了相关研究。这些研究工作对于复杂产品系统的设计 有一定程度指导，提高了设计效率。但由于系统较复杂，所涉及的技术繁多，因此，其 开发有一定的技术难度，其在企业的应用也较难以推广普及。从系统的观点出发，并结 合目前现有的c a d 造型和仿真技术的应用成果和企业的实际，规划企业的虚拟样机的 实施过程，首先实施仿真与c a d 的集成并将p d m 融合，达到企业级集成与应用。 本文在对产品快速设计技术( 特别是参数化设计技术) 、v p 技术、p d m 技术进行 深入分析的基础上，利用数据库技术提出了顶驱钻机虚拟样机原型系统体系结构。采用 面向对象的方法进行分类和表示顶驱钻机的模型，进行仿真性能的建模和实施与p d m 系统集成的基本框架，从而完成了虚拟样机的基本框架的构建，为石油制造企业初步应 用建立基础。 华中科技大学硕士学位论文 d c a c m r m 系统通过p d m 工具建立了单一的产品数据源【4 5 】。1 9 9 8 年欧洲空中客车公 司提出的a t i s 计划，应用产品数据管理软件o p t e g r a 直接为s a pr 3 提供产品装配物 料表【4 6 ：i t t 流体科技公司借助w i n d e h i l l 技术促进了其产品信息管理及流通效率：华 为公司就购买了w i n d c h i l l 及p r o i n t r a l i n k 软件以实现集成产品开发，缩短产品开发周期， 降低开发成本，并加强了不同项目及部门的管理。国外的主要p d m 软件系统发展己相 当成熟，如美国s d r c 公司的m e t a p h a s e 、c v 公司的o p t e g r a 、e d s 公司的i m a n 、以 色列b a i n 公司的m a n t a 、p c t 公司的p d m 系统p r o i n t r a l i n k 等，凭借其雄厚的实 力和丰富的功能在国内占有很大市场。9 0 年代以来p d m 技术的应用在我国也得到飞速 发展。国内p d m 系统的开发和应用方兴未艾，其中著名的有，华中科技大学的天喻信 息软件公司的i n t e p d m 3 0 、清华大学的高华公司的g h p d m s ，中科院凯患公司、南京 同创公司和东北大学的阿尔派公司等都开发了自己的p d m 产品。为了与国外厂家竞争， 占领相应的市场份额，开发出具有国际水平的p d m 系统已是当务之急。 当p d m 系统被广泛地用于减少产品开发时间的时候，它需要和c a d 系统交换数据。 文献【4 7 】介绍了运用u m l 映射图映射产品结构数据，通过概念设计阶段的规划映射实现 c a d 系统和p d m 系统进行产品数据交换。并结合在s d k cm e t a p h a s ep d m 系统和 i d e a sc a d 系统之间进行u m l 映射的具体实例论述了c a d 与p d m 系统的应用集成。 随着互联网的发展，建立了不少介绍与p d m 相关的产品开发研究成果、解决方案 和应用案例的网站1 4 2 j 。 1 3 本文研究工作概述 对于虚拟样机的研究特别是对虚拟样机体系结构和系统集成开发等的研究，国外的 研究与应用比较成熟，国内也开展了相关研究。这些研究工作对于复杂产品系统的设计 有一定程度指导，提高了设计效率。但由于系统较复杂，所涉及的技术繁多，因此，其 开发有一定的技术难度，其在企业的应用也较难以推广普及。从系统的观点出发，并结 合目前现有的c a d 造型和仿真技术的应用成果和企业的实际，规划企业的虚拟样机的 实施过程，首先实施仿真与c a d 的集成并将p d m 融合，达到企业级集成与应用。 本文在对产品快速设计技术( 特别是参数化设计技术) 、v p 技术、p d m 技术进行 深入分析的基础上，利用数据库技术提出了顶驱钻机虚拟样机原型系统体系结构。采用 面向对象的方法进行分类和表示顶驱钻机的模型，进行仿真性能的建模和实施与p d m 系统集成的基本框架，从而完成了虚拟样机的基本框架的构建，为石油制造企业初步应 用建立基础。 华中科技大学硕士学位论文 本文研究工作受中国自然科学基金( 5 0 3 7 5 0 5 8 ) 、中国石油天然气集团公司石油中 青年创新基金( 3 0 0 1 c x 3 3 ) 、中国石油天然气股份有限公司风险基金的资助。 1 4 论文组织结构 本文围绕关键技术进行研究，以此为中心，对研究成果进行系统的阐述。本文的组 织结构如图1 7 所示。 l 章：系统较全面的分析了研究背景和课题来源，论述了国内外相关研究的概况， 并简述了本文的研究工作； 2 章：研究顶驱钻机虚拟样机平台的体系结构和功能模型，分析了其建模方法和实 施的关键技术； 3 章：分析了虚拟样机系统的参数化问题，提出了解决问题的技术方案与研究目标， 给出了系统参数化流成； 4 章：分析了虚拟样机的管理系统的功能模型，提出了管理系统的体系结构，研究 了p d m 系统，开发了客户端应用程序： 5 章：在分析了数据库设计的原理方法的基础上，研究了零部件信息组织和组件的 配置及管理，研究了数据库访问工具； 6 章：介绍系统集成和界面的设计，并结合实例，介绍虚拟造型系统的应用实现； 7 章：总结全文研究工作，提出了下一步工作展望。 昏副雾一 图1 7 论文组织体系结构 华中科技大学硕士学位论文 本文研究工作受中国自然科学基金( 5 0 3 7 5 0 5 8 ) 、中国石油天然气集团公司石油中 青年创新基金( 3 0 0 1 c x 3 3 ) 、中国石油天然气股份有限公司风险基金的资助。 1 4 论文组织结构 本文围绕关键技术进行研究，以此为中心，对研究成果进行系统的阐述。本文的组 织结构如图1 7 所示。 l 章：系统较全面的分析了研究背景和课题来源，论述了国内外相关研究的概况， 并简述了本文的研究工作； 2 章：研究顶驱钻机虚拟样机平台的体系结构和功能模型，分析了其建模方法和实 施的关键技术； 3 章：分析了虚拟样机系统的参数化问题，提出了解决问题的技术方案与研究目标， 给出了系统参数化流成； 4 章：分析了虚拟样机的管理系统的功能模型，提出了管理系统的体系结构，研究 了p d m 系统，开发了客户端应用程序： 5 章：在分析了数据库设计的原理方法的基础上，研究了零部件信息组织和组件的 配置及管理，研究了数据库访问工具； 6 章：介绍系统集成和界面的设计，并结合实例，介绍虚拟造型系统的应用实现； 7 章：总结全文研究工作，提出了下一步工作展望。 昏副雾一 图1 7 论文组织体系结构 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 顶驱钻机虚拟样机原型系统体系结构 顶驱钻机虚拟样机原型系统设计的基本策略是：采用标准和规范，吸取现有的集成 技术，基于客户端服务器模式，建立支持多厂商平台、网络和数据库的系统框架；充 分利用已有的应用系统资源和投资，消除各应用系统之间点到点的信息转换，实现系统 的开放性、可重用性、可扩充性和应用的透明性及互操作性。 本章将结合客户机朋匣务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 网络结构，建立原型系统的体系结 构与网络构架，在此基础上对原型系统的各个功能模块和组件进行详细的阐述。然后研 究了系统的组件建模和模型结构，最后通过各模块间接口关系的分析，提出系统集成实 现的途径和实现的关键技术。 2 2 原型系统体系结构设计 2 2 1 客户机朋臣务器( c ，s ) 体系结构 顶驱钻机是一个复杂的大系统，其虚拟样机原型系统体系结构是本文研究的基础之 一。应该从系统和全局的角度分析，将原型系统分为虚拟造型系统、虚拟仿真系统和管 理系统。从顶驱钻机功能角度，将顶驱钻机分成：钻进，接卸立杆和换杆，水龙套，制 动系统，控制系统等功能部分。仿真分析时，按相应功能分组建立模块组件并存储在模 型库中，将模块组件看成对象，对象具有相应独立特征数据和仿真性能参数。在特征造 型时，调用对象的特征参数，建立组件级