（安全技术及工程专业论文）基于SolidWorks的石油井下工具设计仿真平台研究.pdf

a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed e s i r eo ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e0 1 1d o w n - h o l et o o l si no p r o d u c ts y s t e m b a s e d o ns o l i d w o r k s2 0 0 6p l a t f o r m , i nv i s i u a lb a s i c6 , 0e n v i r o n m e n t , b yu s i n gt h em e t h o do fo b j e c to r i e n t e d p r o g r a m m i n g , ad e s i g na n ds i m u l a t i o np l a t f o r mo ud o w n - h o l et o o l sb a s e do ns o l i d w o r k si sd e v e l o p e d v i s u a l 、p a r a m e t r i c 、a u t o m a t i cd e s i g n i n g 、a s s e m b l y 、b u l i d i n go fd r a w i n g 、v i r t u a ls i m u l a t i o na n ds o m eo t h e r f u c t i o n so ud o w n - h o l el o o i sa r cr e a l i z e d ， t h ea p p l i c a t i o no fv i s u a lt e c h n i q u eo nd o w n h o l et o o l si sai m p o f l a n tt a c h ei no nf i e l d b u tf o rt h e m o m e n t ，t h i sf i e l di ss t i l lv a c a n c ya th o m e t h i sp a p e rc o m b i n e st h ep r o d u c t i o na n dp r a c t i c ee x p e r i e n c ef o r m a n yy e a r si no i lf i e l d ，b ya n a l y s i n ga n ds u m m a r i z i n gp l e n t yo fd r a w i n g so nd o w n h o l et o o l s ，d i s t i l l st h e u n i q u ec h a r a c t e ri nf i g u r e ，a p p l y i n gt h ep a r a m e t r ct h e o r yi nc h a r a c t e r , m a k e st h ec h a r a c t e rp a r a m e t r i c ；# v i n g t h ew h o l ed e s i g n i n gb l u ep n to ft h ep l a t f o r ma n ds o m ek e yt e c h n i q u ef o ri t sr e a l i z a t i o n ；d e e p l yr e s e a r c h st h e f o n t i o n sa n dt h er e a l i z a b l em e t h o d so ft h ef u n t i o nm o d u l e so ft h ep l a t f o r m , w h a t sm o r e ，g i v e st h eo r i g i n a l c o d e so ft h ek e yp r o g r a m s ；t h ep r a c t i c a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t yi sv a l i d a t e db ya l la c t u a le x a m p l ei nt h ee n d t h i sp a p e rp 矗y sm d ea t t e n t i o nt oc h a n g et h et r a d i t i o n a lw o r k i n gm o d ei nd e s i g na n ds i m u l a t i o no n d o w n - h o l ef o o l si no nf i e l d s p r o v i d i n gt ot h ed e s i g n e r sam o r ec o n v e n i e n ta n df a s td e s i g na n ds i m u l a t i o n p l a t f o r m t h ea p p l i c a t i o no fv i s u a lt e c h n i q u ea n dt h ed e v e l o p m e n to fk e yf u n r i o nm o d u l e sl i g h t e n st h ed e s i g n w o r k l o a d ，s h o r t e n st h ed e s i g nc y c l ea n dh e i g h t e n st h ed e s i g ne f f i c i e n c y t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rc a no f f e r p r e c i o u sr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no nd o w n - h o l et o o l sa n df o rt h ed e s i g nm o d ea n dt h em e t h o d s i ni t sc o e l s t i v ef i e l d s d e f i n i t e l yi sao r i g i n a lc r e a t i o n k e yw o r d s ：o i lp r o d u c ts y s t e m ，d o w n h o l et o o l s ，s o l i d w o r k s , v i s u a lb a s i c ，o b j e c to r i e n t e d ，p a r a m e t r i ci n c h a r a c t e r l i t 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除文中已经注明引用的内客外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明并表示谢意。 作者签名：型堑! (日期：山22 ：z 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留使用学倍论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名：蛳 日期：鼬7 吉矽 导师张肛 嗍：叩弓7 f 创新点摘要 1 利用三维造型工具s o l i d w o r k s 为软件开发平台，使井下工具设计、仿真完全可视化， 为设计工作带来很大的方便，提高了设计效率。 2 针对井下工具种类繁多，结构复杂的特点，抽取工具独有的特征，采用“树式结构分 类编码”方法，对特征进行参数化，提高了设计速度和准度。 大庆右油学院破上研究生学位论文 引言 一选题的背景 在石油生产系统中，井下工具起着举足轻重的作用。常用的井下工具有：封隔器、 喷砂器、配水器、配产器、安全接头、循环阀、锚类、脱节器、泄油器、打捞器、铣锥 等。每一种井下工具都具备各自的特点和功用。 目前国内井下工具的设计主要是偏重二维的平面图设计，应用计算机辅助设计 r c a d ) 系统时，一般只要输入一些设计的初始数据，即可得到清晰、整齐、美观的设计 图纸，因而深受用户的欢迎。但这样的系统并不能处理设计工程中复杂的物理数学关系。 另外，完成一项设计需要使用多个系统，每次需要重复输入大量的数据，使用很不方便。 若将可视化技术l | i 应用于该系统，即可理想地实现绘图与结构计算一体化。 随着采油工艺技术的不断发展、计算机应用水平的逐步提高，井下工具的设计和研 究对可视化技术应用的要求将越来越迫切，井下工具设计技术的发展体现在以下四个方 面： ( 1 ) 井下工具的参数化设计。 所谓参数化设计即设计者输入几项决定零件形状的主要参数，经过计算机程序运行 即可设计出符合设计思想的零件。参数化设计作为产品建模的一个重要手段，在系列化 产品设计中得到较好的应用。在设计过程中结合井下工具的特点，可以确定零部件的各 种特征参数并绘制出三维特征原形，通过改变参数来改变原型的尺寸及某些特征的存在 与否，创建所需的衍生件。利用可视化技术，将井下工具设计的各环节，编制成界面友 好、交互性强的可视化井下工具设计系统，可方便地分析和考虑方方面面的影响因素， 从而有效提高井下工具的设计水平。 ( 2 ) 井下工具整体与主要部件性能的计算机分析。 在c a d c a e 系统下生成的几何模型通过数据接口，可精确地传入有限元分析软件。 用户可通过图形用户界面方便地交互访问程序的各种功能、命令；建立或修改模型；划 分网格及加载；显示模型及计算结果等。同时可实现在无需产品样机的前提下，通过有 限元等工程分析软件在虚拟环境中快速、全面、有效地分析“虚拟样机”的相关性能。 ( 3 ) 井下工具的可视化装配。 可视化装配借助虚拟现实技术可以在设计阶段完成井下工具的装配、机构运动模拟 及受力分析，并可根据分析的结果，开展井下工具的结构优化设计工作，大大减少试制 和试验过程，提高质量，降低成本，缩短开发周期，为井下工具的结构优化及可靠性设 计提供依据。 ( 4 ) 井下工具工作的虚拟仿真。 引言 计算机仿真技术的核心是按系统工程原理建立真实系统的计算机仿真数学模型，然 后利用模型代替真实系统在计算机上进行试验和研究。计算机仿真可以用于研制产品或 设计系统的全过程中，利用计算机仿真技术可以现场模拟井下工具的工作情况，实时反 馈数据信息以供设计人员参考并对模型进行改进。 二选题的意义 ( 1 ) 将可视化技术应用于井下工具设计是可行的，也是非常必要的。利用可视化技 术可以直观、快速、准确地完成井下工具的参数化设计、结构可靠性分析及可视化模拟 装配。 ( 2 ) 利用c a d 平台建立三维立体图形，可以方便地进行三维实体模型设计，同时 得到二维视图，经过编辑可生成所需各种视图，既方便修改工程设计，又容易阅读理解 工程图样，为加工制造传递更多的信息。 ( 3 ) 开展结构设计、三维特征造型和有限元分析评价集成技术的研究工作，将为井 下工具的结构优化及可靠性设计提供科学依据。 三c a d 技术的发展历程 c a d ，即c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ( 计算机辅助设计) 是指以计算机为基础，完成整个 产品的设计过程。产品设计过程是指从接受产品的功能定义开始到设计完成产品的材料 信息、结构形状、精度要求和技术要求等，并且最终以零件图、装配图的形式作为可见 媒体表现出来的过程f 2 j 。c a d 是2 0 世纪最杰出的工程技术成果之一，是用高新技术改 造传统产业、加快国民经济发展的一项关键技术，也是先进制造技术的重要组成部分 ”1 。c a d 作为信息技术的一个重要组成部分，将计算机高速、海量数据存储及信息处 理能力与人的综合分析及创造性思维能力结合起来，对加速工程和产品的开发、缩短设 计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。 无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工业，无论是机械、电子、 轻纺产品，还是文体、影视广告制作都离不开c a d 技术。c a d 技术是企业信息化的重 要技术基础，也是企业进入国际市场的入场券【6 l 。 c a d ，如果从美国麻省理工学院( m i t ) 旋风i 号所配的图形系统算起，迄今己有5 0 年的历史；若以m 盯林肯实验室的1 e s u t h e f l a n d 发表的人机通信的图形系统博士论文 为开始，也有四十多年的历史。c a d 技术经过近半个世纪的发展，在理论、技术、系 统和应用等方面都取得了长足的发展。 近年来，以微机平台、w i n d o w s 操作系统以及i n t e r n e t 网络技术为特征的新一代企 业信息化体系正在深刻影响着c a d 技术的应用及发展【7 i ，c a d 理论研究与软件开发成 果也日新月异。 c a d 技术发展历程中，主要经历了四次技术革命：2 0 世纪7 0 年代的曲面造型技术、 2 0 世纪8 0 年代初的实体造型技术、2 0 世纪8 0 年代中期的参数化技术及2 0 世纪9 0 年 2 人庆石油学院硕卜研究牛肇位论文 代的变量化技术。 1 第一次c a d 技术革命曲面造型系统 2 0 世纪6 0 年代出现的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何 数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。进入2 0 世 纪7 0 年代，飞机及汽车工业的蓬勃发展要求c a d 软件对自由曲面的处理能力要求越来 越高。为此，法国的达索飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方 法，推出了三维曲面造型系统c a t i a 。它的出现，标志着c a d 技术从单纯模仿工程图 纸的三视图模式中解放出来【2 - 8 1 ，首次实现了以计算机来完整描述产品零件的主要信息， 同时也使得c a m 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第一 次c a d 技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。 2 第二次c a d 技术革命实体造型技术 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，随着计算机技术的迅猛发展，c a e ，c a m 技术也 开始有了较大发展。有了表面模型技术，c a m 的问题可以基本解决。但表面模型技术 只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等， 对c a e 十分不利，最大的问题在于c a e 分析的前处理特别困难。基于对于c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型 技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属 性，在理论上有助于统一c a d ，c a e 与c a m 的模型表达1 2 “，给设计带来惊人的方便 性，它代表着未来c a d 技术的发展方向。实体造型技术的普及应用标志着c a d 技术发 展史上的第二次技术革命。 3 第三次c a d 技术革命参数化技术 2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司内部的一些人提出了一种比无约束自由造型更新颖、 更实用的算法一参数化实体造型方法。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全 数据相关、尺寸驱动设计修改【2 “。但由于参数化技术方案有很多技术难点有待攻克， c v 公司否决了参数化技术方案。策划参数化技术的这些人集体离开了c v 公司，成立 了参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) ，开始研制命名为p r o f e 的参数化c a d 软 件。进入2 0 世纪9 0 年代，参数化技术逐渐成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零 部件设计上存在的简便易行的优势。参数化技术的成功应用，使得它在2 0 世纪9 0 年前 后几乎成为c a d 业界的标准，可以认为参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三 次技术革命。 4 第四次c a d 技术革命变量化技术 2 0 世纪9 0 年代初，积累数年对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻 理解，s d r c 公司的研发人员发现参数化技术尚有许多不足之处。首先，“全尺寸约束” 这一硬性规定干扰且制约着设计者创造力及想象力的发挥2 “。全尺寸约束，即设计者 3 引言 在设计初期及整个过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制 形状，通过改变尺寸来驱动形状的改变，一切以尺寸( 即所谓的“参数”) 为出发点。 在对现有各种造型技术进行充分的分析和比较之后，一个更新颖大胆的设想产生 了。s d r c 的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体 造型技术受量化技术。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服 了它的许多不足之处。变量化技术的成功应用，为c a d 技术的发展提供了更大的空间 和机遇。无疑，变量化技术成就了s d r c 公司，也驱动了c a d 发展的第四次技术革命。 c a d 发展历程中的四次技术革命，大大促进了c a d 应用的发展。分析c a d 应用 发展历程，可将c a d 技术在应用方面归纳为以下几个主要阶段【9 j ： ( 1 ) 甩图板阶段：以二维绘图为主，辅以部分三维线框造型，其目标在于提高绘图效 率和质量。 ( 2 ) 专用系统开发应用阶段：在某种图形支撑软件基础上，针对某一专用系统进行二 次开发，以提高软件的针对性和易用性，以提高专用系统设计开发的效率和质量为主要 特征。 o ) 基于产品数据管理p d m 的一体化集成应用阶段：以产品整机设计及开发全过程 为目标，通过计算机网络和数据库技术，把企业生产过程中所有与产品相关的信息( 包 括开发计划、产品模型、工程图纸、技术规范、工艺文件和数控代码等) 和过程( 包括设 计、加工、计划调度、装配和检测等) 集成在统一的平台上，构成一个以产品为核心的 管理系统。 ( 4 ) 网络化阶段：建立基于虚拟技术、企业局域网( i n t i 硼e t ) 和分布式客户机服务器模 式基础上的c a d c a m c a e c a p p 集成环境，以实施产品开发并行工程为主要特征。 目前我国机械行业主要进行第二阶段的研究开发，一些企业开始进行第三、第四阶 段的探索研究。 四c a d 技术的发展趋势 现在计算机硬件水平的不断提高为c a d 技术的发展提供了必要条件，全球化激烈 的市场竞争为c a d 的普及应用提供了动力。c a d 技术有如下发展趋势： ( 1 ) 微机化 过去，c a d 主要以工作站为硬件平台；现在以w i n t e l 体系为主的微机己占领计算 机应用的大部分市场。同时，随着微机硬件水平的不断提升和微机操作系统w i n d o w s 的不断发展，微机运行环境的可靠性、安全性和运行效率都得到了极大改善。微机作为 c a d 平台己被大多数c a d 用户接受。为占有具有广大用户的微机c a d 市场，不少c a d 软件商将工作站上的c a d 软件移植到微机上，如i - d e a s 、u g 、p r o e n g i n e e r 等，同时 也出现了不少直接在微机上开发的c a d 软件，如s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、m d t 等。微 机化促进了c a d 的广泛应用，是c a d 技术发展的一个最重要的特点和趋势。 ( 2 ) 集成化和智能化 4 大庆石油学院硕i 研究生学位论文 简单来说，集成化就是各环节数据的有机结合。对制造业而言，集成化就是把设计、 分析、工艺、管理等各个环节的各项功能软件有机地结合起来，统一数据的描述及交换， 协调各功能软件的有效运行。其中计算机集成制造系统( c i m s ) 是c a d 系统集成发展的 一个重要方向。集成化c a d 能缩短产品研制周期，增强企业竞争力。 初级的智能化表现在c a d 软件的人性化、使用方便，其中的典型是应用动态导航 技术，引导设计者逐步进行设计。更高级的是根据具体设计方法、技术及经验，在处理 数值型工作基础上，进行推理型工作，包括方案构思与拟定、最佳方案设计与选择、结 构设计、评价以及参数选择等。这些工作需要知识、经验及推理，将专家系统与c a d 技术结合起来，是智能化c a d 系统发展的必然趋势。 ( 3 ) 网络化和并行化 计算机网络是现代计算机技术与通讯技术相结合的产物。网络的最大作用是实现资 源共享。c a d 系统只有通过网络互联起来，才能达到资源共享和协同工作的目的，发 挥c a d 的最大效益。c a d 的公用信息、图形、编码、标准零部件等都存储在服务器的 公用数据库中，用户c a d 通过网络共享其中的数据，进行各自的工作，交换所需的中 间处理数据和最终结果。网络化为应用计算机的各部门实行信息共享、协同工作提供了 物质基础条件。 并行设计作为并行工程在产品设计开发活动中的体现，是从传统串行顺序方式演化 到合作并行求解方式的一项重要技术。c a d 的集成化与网络化为c a d 实现并行设计提 供了软硬件基础。c a d 并行设计实现产品的方案设计、概念设计、详细设计、分析设 计、工艺设计、加工仿真各阶段工作在各设计部门同步进行，各个设计部门的设计信息 共享，并以规定流程实现交流、反馈，同时对各阶段设计中的问题进行修正，保证在方 案完成的同时，产品即可加工出来。并行化c a d 是全新的c a d 组织形式，最大程度 缩短产品研制周期，是大型企业实施c a d 的发展趋势。 ( 4 ) 规范化 规范化的趋势体现在数据模型的标准化、数据交换格式的标准化及c a d 资源的规 范化三个方面。数据模型应采用s t e p 标准体系。它包含a f 2 0 3 ，a p 2 0 4 等，还有许 多子集正在制定中。随着s t e p 标准体系的逐渐完善，它对于几何数据、工程数据模型 的思想将作为新一代c a d 系统的开发指南。 以i j i 的一些标准接口无法满足c a d 数据交换的要求。在新一代c a d 系统中，基于 s t e p 标准的数据交换将成为主流，所传输的内容也将不仅局限于几何数据模型。目前 参数化特征模型的传输还是一个世界难题，在s t e p 标准的基础上，相信这一点能有所 突破。 这里所说的c a d 资源主要是指各种标准件库和标准符号库等。它是由各国标准和 国家标准所规定的，是工程设计的重要依据。目前许多参数化系统中都不专门提供标准 件模块，理由是参数驱动的能力使得系列化设计变得十分容易，因此该项工作留给了用 户。但根掘实际经验发现：用户一般希望系统尽可能方便，从以前的直接调用方式返回 5 引言 到自己建库的方式，不易被接受，而且标准件库的三维视图和二维工程图的简化画法的 不同也很麻烦。因此，对用户来说建立标准件库还是很有必要的。 6 人庆l i 油学院硕i 研究生学位论之 第一章井下工具特征参数化设计原理及实现方法 1 1 参数化设计技术 1 1 1 参数化设计概念 参数化设计是通过改动图形的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地定位和定形，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、公差分析与综 合、机构仿真、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。 参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进行草图 设计，勾画出设计轮廓，然后输人精确尺寸值来完成最终的设计。与无约束造型系统相 比，参数化设计更符合实际工程设计习惯，因为在实际设计的初期阶段，设计人员关心 的往往是零部件的大致形状和性能，对精确的尺寸并不十分关心，特别是在系列化设计 中，参数化造型技术的优点就更加突出【1 0 l 。 设计过程可视为约束满足的过程，设计活动本质上是通过提取产品有效的约束来建 立其约束模型并进行约束求解。设计活动中的约束主要来自功能、结构和制造三个方面。 功能约束是对产品所能完成的功能的描述；结构约束是对产品结构强度、刚度等的表示； 制造约束是对制造资源环境和加工方法的表达。在产品设计过程中将这些约柬综合成设 计i f l 标，并将它们映射成为特定的几何拓扑结构，从而转化为几何约束。所谓几何约束 就是要求几何元素之间必须满足某种特定的关系。将几何约束作为构成几何拓扑结构的 几何基准要素和表面轮廓要素，可以导出各种形状结构的位置和形状参数，从而形成参 数化的产品几何模型。 产品的几何约束主要包含拓扑约束和尺寸约束两方面。拓扑约束是对产品结构的定 性描述，它表示几何元素之间的固定联系，如对称、平行、垂直、相切等，这些关系拟 抽象为点、边、面间等九类有向关系，每一类关系有相应的谓词，包括“相同”、“平行、 “垂直”、“相交”、“偏移”等。尺寸约束则为特征几何元素间相对位置的定量表示，如 各种距离、两线夹角、圆的半径等。尺寸约束是参数化驱动的对象，其不仅可以变动， 而且需要标注和显示。尺寸约束可表征为一组基本参数且具有与产品结构层次相对应的 层次性。产品特征模型中高层约束是形状特征之间的形位关系；几何元素之间的约束， 7 第一章井下t 具特缸参数化设计原理及实现方法 则是低层约束的封装；高层约束需通过低层约束来实现。 1 1 2 常用几种参数化设计方法 参数驱动中约束方程的求解或尺寸链的推导是难点，如何保证在各种情况下都得到 稳定的解，尚未得到完全的解决。 日前，解决参数驱动中约束的方法i l l 】主要有如下几种： ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法 这是一种基于约束的数学方法，它将图形的几何模型分散为一系列特征点，以特征 点为变量形成了一个非线性方程组，当约束变化时，利用非线性方程组就可以求出这些 特征点的新坐标，从而形成新图形。但由于非线性方程组求解过程本身的不足，求解稳 定性的问题并没有得到根本解决，现在有不少研究正在寻求提高求解稳定性的途径。 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能法 这种方法是用基于规则的推理方法来确定用一组约束描述的几何模型。在推理过程 中，利用专家系统将几何形体的约束关系用一阶逻辑谓词描述，存入事实库中。推理机 把从规则库中提取出的规则用于当前的事实集中，然后推理出几何形体的细节。推理过 程输出是由一系列推理出的规则组成的一个几何形体的构造计划。参数化模型由在构造 计划中顺序算出的规则所决定。这种方法通过谓词可以表达很复杂的约束，例如相切， 这一点是其他方法所无法比拟的。但由于在推理过程中要查询匹配规则，所以用这种方 法建立的系统过于庞大，而且速度较慢。 ( 3 ) 基于构造过程的构造法 该方法在交互造型过程中采用了一种称为“参数化履历”( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的机制， 在设计过程中，系统自动记录造型操作过程的程序化描述，将记录的定量信息作为变量 化参数，当赋予参数不同的值时，就会擘导到不同大小或形状的几何模型。这种方法较适 用于结构相同而尺寸不同的零件设计，但由于需要严格遵循某种构图顺序，故柔性和灵 活性较差。 ( 4 ) 基于辅助线法 这种方法的几何图形轮廓线都建立在辅助线的基础上，辅助线的求解条件在作图的 过程中己明确规定，由辅助线来管理图形的几何约束和结构约束，并直接定义图形的约 束集，这样就可以在图中搜索和检查求解条件，使约束的表达得以简化，减小了约束方 程的求解规模。从本质上讲，这种方法属于儿何约束的变量几何法，不同之处是用辅助 线来表达约束。当图形比较简单和有规则时，这种方法的求解速度较快，但当图形比较 复杂时，作辅助线会增加作图的操作，影响作图速度，而且要保证用辅助线定义图形约 束集的完整性比较困难。 上面介绍的几种方法是新一代智能化、集成化c a d 系统核心技术之一。这些方法 8 大庆 油学院硕 研究生学位论史 虽具有较深的理论基础，也能很好地解决二维参数化问题，但大部分难以在机械设计中 推广，在实际设计中，很难真正成为有效的设计工具。究其原因，主要在于这些技术应 用效率低f ，缺乏灵活性，对隐含约束、过约束、约束不足等参数化技术的关键问题的 处理不够好。基于特征参数化设计造型方法能很好的解决以上大多数问题，其具体思想 和方法将在下一节中介绍。 1 2 基于特征参数化设计造型方法 1 2 1 基于特征的参数化造型思想及实现 在基于特征的造型中对于特征的描述是关键，特征描述应该包含几何形状的表示和 相关的处理机制以及特征高层语义信息，目前主要是探索形状特征。形状特征实际上是 几何实体无任何语义的结构化组合，通常对形状的描述有以下几种：b r e p ( b o u n d e p r e s e n t a t i o n ) 、c s g ( c o n s t r u c t i v e s o l i dg e o m o t r y ) 以及混合法。但在c a d 应用中，参数化 设计应用越来越广，因此就出现了将参数化设计应用到特征设计中去，使得特征具有可 调整性，主要是针对特征的几何和拓扑信息。可以利用混合法来建立特征模型，并将参 数化引入到特征造型中去，使得形状特征可以根据需要调整变化【1 2 i ，这就是基于特征的 参数化设计。 基于特征参数化方法意在将基于特征设计方法与参数化技术有机地结合起来，实现 对多种设计方式( 自顶向下或自底而上等) 和设计形式( 初始设计、相似设计和变异设计等) 的支持。它改变了传统c a d 系统完全靠设计者指出零件几何图素的位置这一限制，将 零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操作单位的新语义实体，这将包 含比几何图素多得多的零件描述。对于一个特征来说，其构成的几何图素之间的拓扑关 系是不变的，特征形状的变化只能通过给特征指定不同的参数值来实现。对零件的修改 就可以转化为对构成零件的特征参数值进行修改，不用直接修改几何图素的位置，大大 方便了零件的设计修改过程，提高了设计效率和准确性1 1 3 1 。 基于特征参数化设计的关键是特征及其相关尺寸的描述，特征可被视为三类属性描 述的面向几何的物体，数据属性包含特征的静态信息；规则或方法属性定义特征特定的 设计和制造特性；关系属性描述特征间的相互依赖关系或定义形状特征间的位置关系， 并给出了基于特征产品参数化描述方式和具体实现方法。 1 2 2 零件特征信息构成 1 零件形状信息 构成特征隐式表示的形状参数、结构参数、定位参数；以及显示表示的面集。 9 第章井下r 具特征参数化垃计原理及实现方法 2 关系信息 特征间依赖关系、参数继承关系、定位关系。 3 尺寸、公差信息 尺寸按功能分有位置尺寸、形状尺寸；公差分为尺寸偏差、几何公差、表面粗糙度 等。 4 控制信息 材料，热处理和辅助处理等。 在零件信息构成中需要强调两个重要概念： 附着面( a t t a c h _ f a c e ) 附着面是特征之问相互连接的面，子特征通过附着面依附于父特征上，特征之间通 过附着面发生联系构成特征关系图，在附着面上通过指针关系可以搜索与该特征发生联 系的所有特征； 基准( d a t u m ) 基准是构成零件的辅助手段，是特征定位信息的重要内容。如定位基准、尺寸基准 等是c a p p 推理的重要依据。设计零件时要反复使用基准，因此，基准的的构造直接影 响零件的生成。 1 2 。3 特征形状定义方式 特征形状定义一般有下列几种方式： 特征形状完全取决于形状参数。多数规则特征均采用这种定义方式，如盲孔形状 由直径与深度决定。 特征形状取决于截面轮廓与产生方法。多数自定义特征采用这种定义方式，由于 截面轮廓定义是参数化的，因此特征形状定义也是参数化的。 曲面构成特征。按照曲面构造方式可进行参数化修改。 特征结构参数决定一组特征布局。如圆周阵列特征由阵列半径及中- t l , 夹角参数决 定。 特征参数均为隐式表示，修改参数时，由隐式到显式自动生成，产生特征面，在面 集上即可建立依赖关系、标注尺寸与公差。由于特征定位尺寸、形状尺寸用变量符号( 或 叫参数1 定义，修改尺寸，通过依赖关系影响特征参数，从而达到修改特征形状与定位。 1 2 4 特征依赖关系建立与尺寸驱动 特征产生过程自动记录特征依赖关系，特征之f b 】通过附着面建立联系。特征产生具 有一定次序，父特征产生后，子特征局部定位在父特征上，定位过程中产生活动局部坐 标架，多个特征的定位形成局部坐标架网，如图卜1 ，局部坐标架至少记录下列信息： j 、庆石油学簖硕卜研究乍学位论文 参考父特征坐标架。 到父特征坐标架转换。 特征之j 日j 通过定位尺寸、定位基准发生作用，修改任一特征上尺寸，通过定位关系 影响与该特征有关联的所有特征，特征定位局部坐标架网随时发生改变，同时按照特征 生成次序构成新的模型，实现尺寸驱动。如图1 - 2 ，修改尺寸d 5 ，由定位关系( 定位尺 寸d 6 、设计基准d t m ) 影响方孔，通过尺寸d 7 影响圆孔。 2 7 65 4 5 图1 - 1 局部坐标架网 f i g 1 - 1p a r t i a lc o o r d i n a t en e t w o r k x 3 图1 - 2 尺寸驱动示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i m e n s i o nd r i v e 1 1 第一章井下工具特征参数化设计原理发实现方法 1 3s o l i d w o r k s 中基于特征的参数化驱动 许多机械零件的形状结构具有同特征，只是在相对大小或局部特征上存在一定的差 异，如果能够通过一个模板模型衍生出不同的模型，就会大大提高设计效率。参数化设 计是将系列化、通用化和标准化的定型产品中随产品规格不同而变化的参数用相应的变 量代替，通过对变量的修改，从而实现同类结构机械零件设计的参数化。参数化造型的 基本思想是用数值约束、几何约束和方程约束来说明产品模型的形状特征，从而得到一 簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。参数化实体造型的关键是几何约束关系的提 取、表达、求解以及参数化几何模型的构建。 s o l i d w o r k s 是世界上第一套基于w i n d o w s 系统开发的三维机械设计c a d 软件。该 软件提供了非全约束的参数化实体特征建模与曲面建模相结合的技术，具有强大的零件 设计功能。在s o l i d w o r k s 中，机械零件参数化设计主要通过两种方法实现：一是利用在 内嵌的e x c e l 工作表中指定参数，创建多个不同配置的零件或装配体：二是利用编程语 言作为开发工具，对s o l i d w o r k s 进行二次开发，用程序实现参数化设计【“l 。 1 3 1 用系列零件设计表生成配胃实现零件的参数化设计 在s o l i d w o r k s 中首先建立系列零件任意规格的三维模型，对零件中的特征参数对应 的特征信息命名新的尺寸名标记以及利用方程式使特征尺寸之间生成数学几何关系信 息，通过e x c e l 保存零件的基本尺寸信息、零件形状信息和控制信息，导入系列零件设 计表生成配置驱动模板模型，最后通过s o l i d w o r k sa p i 中的配置驱动函数 ( s h o w c o n f i g u r a t i o n ) 生成不同配置的三维模型。在这个模版模型中每个配置就是一个 不同的零件。即在e x c e l 变量表中指定参数，设计者可以创建多个不同配黄的零件或装 配体。系列零件设计表保存在模型文件中，所以s o l i d w o r k s 对模型的更改不会影响原来 建立的e x c e l 配置文件。系列零件设计表可以控制零件或装配体的许多项目，其中主要 包括：特征尺寸和压缩状态；配置属性( 包括材料明细表中的零件编号、备注、自定义 属性) ：零部件的压缩状态、显示状态、参考配置、颜色等；装配体特征的尺寸、压缩 状态；配合中的距离和角度配合的尺寸、压缩状态等。 1 3 2 用s o l i d w o r k sa p i 函数实现程序驱动参数化设计 s o l i d w o r k s 通过o l e ( 对象的链接和嵌入) 技术为用户提供了强大的二次开发接口 ( 应用程序接c i ) a p i ，a p i 中包含了数百个可以在v i s u a lb a s i c 、v b a ( e x c e l l 、a c c e s s 等) 、v c + + 或s o l i d w o r k s 宏文件调用的函数。s o l i d w o r k s a p i 接口采用面向对象的方法， 所有的函数都是有关对象的方法或属性。用户通过对这些对象属性的设置和方法的调 人庆廿油学院顾t 研究生学位论文 用，就可以在用户自己开发的程序中对s o l i d w o r k s 进行各种操怍控制，完成零件草图的 绘制和修改；零件各种特征的建立和修改；零件的特征信息、装配信息及工程图纸信息 的提取等【1 “。 1 4并下工具参数化设计的实现方法 1 4 1 井下工具概况 在油井开采、压裂、酸化、注水过程中，经常用到封隔器、喷砂器、配水器、配产 器等各种各样的井下工具。 封隔器：封隔器在分层采油、分层注水、分层压裂、分层酸化、分层测试作业中有 着广泛的用途。 封隔器按作用原理和结构特点可分为：支撑式、卡瓦式、皮碗式、水力扩张式、水 力自封式、水力密闭式、水力压缩式等。按主要组成部分和外观可分为：上接头、胶筒、 中心管、下接头。其中上、下接头分别与油管相连，胶筒是封隔器的关键部件，靠其变 形来达到封隔油管和套管之间环形空间的目的。封隔器胶筒径向膨胀，封隔环形空间的 过程称为坐封。封隔器胶筒径向收缩，恢复原状的过程称为解封。不同类型的封隔器器 坐封和解封方式各异。 喷砂器：喷砂器是水力压裂过程中所用的工具，它的作用是向压裂层喷射压裂砂液， 同时造成节流压差，保证封隔器所需的坐封压力。 喷砂器的主要组成部分有：上接头、调节环、隔环、弹簧、中心管、剪钉、0 型胶 圈、阀、滑套、阀座、钨钢套、护罩、衬套、下接头。 配水器：配水器是分层注水工具。配水器用于分层注水管柱中控制配水量和保证封 隔器有足够的坐封压力。 偏心配水器主要由工作筒和堵塞器组成。工作筒用于连接管柱和存放配水工具堵塞 器。堵塞器用于调配注水量，由于堵塞器偏心，可以与封隔器任意多级使用。 配产器：配产器用于油井的分层开采，它通过与封隔器配合，下入井中，将各油层 分开，实现分层配产。配产器的具体功用是控制各油层的回压，适当降低高层渗透的采 油量，相对加大中、低渗透层的采油量，以达到分层配产或不压井起下作业的目的。 除以上介绍的几种井下工具外，其余的井下工具有：安全接头、循环阀、锚类、脱 节器、泄油器、打捞器、铣锥等各种各样的井下工具。 1 4 2 井下工具参数化设计 井下工具种类繁多，而且结构复杂，要想实现平台通用，必须对其进行特征提取， 以实现特征参数化。 第一章井下t 具特征参数化设计原理及实现方法 特征的参数化又可分为功能特征参数化和形状特征参数化。 针对井下工具用途各异，对主特征采用按功能分类，譬如封隔器主要零部件按功能 特征分类就可分为上接头、上接头、中心管、胶筒等。 形状特征分类顾名思义就是按照零部件的不同形状特点进行分类，此处选择功能特 征分类的一级子类作为形状特征类码第一位。譬如选择功能特征类码一级子类“上接头” 作为形状特征类码第一位，接下来按照树式结构分类编码可相继分为特征类码第二位， 特征类码第三位，特征类码第n 位等。特征类码第n 位是对第n 1 位形状的进一 步分类码，也就是形状的进一步细化，其他依次类推。树式结构分类编码【1 7 1 示意图见图 l - 3 。 特征码位第一码位 第二码位第三码位 图1 3 树式结构分类编码示意图 f i g 1 - 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t r e es t r u c t u r ec l a s s i f i e dc o d i n g 就“上接头”树式结构分类而言，如图1 - 4 所示。特征类码第一位是“上接头”， 特征类码第二位包括并列的“原始毛胚”、“接头穿孔”、“接头密封”、“接头穿孔密封” 四大类。此处并未设置特征类码第三位，如果有更为精细的形状分类，可以接着设置特 征类码第三位乃至第n 位。 1 4 大庆年i 油学院硕b 射婉生学化论史 图1 - 4 上、下接头设计窗口 f i g 1 - 4d e s i g ni n t e r f a c eo f j o i n t s 井下工具参数化设计遵循这样的编码方式，系统实现复杂工具的特征提取，并逐步 完成特征的参数化。 1 5 本章小结 本章介绍了参数化设计技术的概念以及设计方法，对目前应用较为普遍的基于特征 的参数化设计方法进行了深入的探讨。介绍了在s o l i d w o r k s 平台上基于特征的参数化设 计的两种方法，并运用特征编码的方式对井下工具特征进行参数化。 1 5 第二章f 台总体设计及平台实现的若干关键技术 第二章平台总体设计及平台实现的若干关键技术 2 1c a d 软件设计的一般过程 c a d 软件设计过程常用图2 - i 来表示。图2 - 1 显示的是人机信息交流和交互操作的 流程【1 8 】。c a d 的最后结果一般应与c a p p 、c a m 联系在一起，形成c a d c a p p c a m 一体化，完成c i m ( c o m p u t e ri