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1、 CAE技术在钻探装备研发中的应用 孙文刚李冬生高岗摘 要：本文对CAE技术在钻探装备研发中的优势、定位、CAE技术分析能力的形成、CAE技术在钻探装备研发中实际应用以及在CAE应用中遇到的问题进行了介绍，并结合实例进行分析。通过将CAE技术应用于钻探装备研发实际，其结果表明：CAE技术能缩短研发周期，减少研发成本，提高设计质量。关键词：CAE仿真； CAE应用；钻探装备；全生命周期1.CAE概述CAE（Computer Aided Engineering）是使用計算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化
2、设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE通常指有限元（FEA）分析和机构的运动学及动力学分析1。2.CAE技术在钻探装备研发中的应用在钻机研制过程中，多种因素制约，会产生各种问题。最常用的解决办法是，请专家或采用相应的仪器找出故障点，采取相应措施。通常提出的修改建议或许只针对某个零部件，但对整机来说，在解决一个问题的同时，很可能带来其他问题。早期采用CAE技术，投入总量和传统做法相比要少得多，钻机投产后，能将投入维持在很低的水平，从总体上来说，降低了钻机开发的总费用，上市时间也会提前。2.1概念（初步）设计阶段的CAE仿真分析该阶段的CAE仿真分析可以为设计人员提供设计工程师基础设计验证、不同
3、方案的比较计算与分析，并为领导进行钻机设计方案决策和商务决策提供参考依据，能够回答企业是否能在预定时间、预定成本以及现有设备等约束条件下完成钻机的研发和制造任务。2.2详细（工作图）设计阶段的CAE仿真分析详细设计阶段包括系统设计、部件装配、子部件装配、零件设计，直到图纸、材料、制造工艺等。2.3试验阶段的CAE仿真分析该阶段是钻机设计完成后的关键阶段。目前大多数企业都是先制造钻机的物理样机，投入试验。针对实验失败的方面，重新设计、制造和试验，如此反复，直到定型通过。上述重复过程，在成本和时间上都造成极大浪费。2.4制造阶段的CAE仿真分析该阶段是钻机实际制造的阶段。通过仿真计算可以进一步优化
4、制造的工艺流程、减少废料，并且可以针对加工错误进行演算，通过修改图纸尺寸来保证交货期，避免废品和返修。2.5应用CAE技术规避专利壁垒例如某新型钻机在设计过程中，其结构设计时在满足强度、刚度要求的前提下，进行仿真优化，改变结构形式，其强度和刚度能否满足设计要求，结构自重是否最轻，材料利用率是否最合理等等，一定会有别于国外同类型钻机。经过设计工程师和CAE结构工程师的共同努力，大幅提高钻机的使用寿命且维护简单、性能优越，现已投入使用，并赢得用户的信赖。CAE技术不仅可以打破国外知识产权技术壁垒，规避已有的专利保护，而且与此同时也使得我们获得自主的知识产权，申请专利保护。2.6应用CAE技术减重优
5、化结构某型钻机机架在减重前重量约为23吨3，通过应用多目标参数优化，形状优化等CAE技术对原设计方案托板，上横梁，方钢等多个零件和钻机整体机架进行了20余次结构优化计算，在满足功能要求的前提下，机架减重约3吨，避免了整机超重，经济效果显著。CAE主导的钻探装备研发设计过程如下：图1分别介绍了无CAE活的的产品研发过程，CAE介入的钻机研发过程和CAE主导的研发过程。对比发现有CAE介入的研发过程，可以减少循环次数。CAE主导的研发过程，以CAE技术为依托，与设计过程紧密结合，直接通过样机验证。CAE技术在钻探装备研发中的应用如下：（1）整机及零部件结构静态、动态以及模态分析，针对零部件的强度、
6、刚度、应力和应变进行分析。如图2所示。（2）零件尺寸、形状及多参数目标优化，在保证尺寸、形状等要求的前提下进行形状优化以达到减重等目的的分析。（3）可靠性及疲劳分析，针对钻杆，钻头等疲劳易损件进行分析，优化结构，增强使用寿命。如图3所示。（4）多体运动学，动力学分析。在钻机研发过程中进行动力学和运动学分析，为设计过程提供数值量化的参考依据。（5）流体分析，在钻探装备中，除尘或者排渣涉及到气体、固体或者气体、固体和液体多项流耦合的问题。如图4所示。（6）热分析。例如在焊接过程中，通常会产生热变形。焊接变形对设计、制造都造成了很多的困难。CAE技术在钻机性能试验上的应用：结构设计师最具挑战性的任务
7、是要保证设计的钻机系统动力学性能满足规格的要求，零部件是否与设计要求和运动关系的一致性。最好的解决方案是在样机成型之前得知钻机动力学性能，灵活调整方案避免失误。可以运用运动学仿真软件如LMS Virtual， lab Motion，Adams和Dytran等进行运动学分析。以履带钻机爬坡实验举例，试验场地坡度为十五度。运用相关软件可以提前对钻机爬坡实验进行模拟并且坡度可以在软件中调整，测试爬坡极限性能。LMS AMESIM模块对液压回路仿真，图5是履带行走液压回路原理图，图6是履带适应性仿真模型。CAE技术在解决售后产品上的应用：在钻机的实际使用过程中遇到的问题有些是设计指出所没有考虑到。这时
8、要求设计人员结合CAE技术和实际工程状况进行分析，更改或者制定新的设计方案并将问题和解决措施备案为后续设计提供技术支持。在装备制造业市场竞争日益激烈的现在，CAE技术也遇到了前所未有的机遇。CAE技术在钻探装备制造业的使用越来越受到企业管理者的重视，它能有效降低企业生产成本，缩短研发周期，为企业产生巨大的经济效益，体现出了较广泛的使用价值。参考文献：1刘昊，陈宪战等.CAE技术现状及其在石油物探机械装备设计中的应用J.物探装备，2010，4月第20卷第二期2程德彬.关于船用柴油机研发及CAE应用的分析J.装备制造技术，2012年第8期3ZHANG You-zhen. ZHANG Jian-mi
9、ng， SHI Zhi-jun， Application and development of numerical simulation for underground horizontal directional drilling，JOURNAL OF COAL SCIENCE & ENGINEERINGJ，Vol，18No，1Mar，20124田东庄，石智军，龚城，董萌萌.煤矿井下近水平定向钻进配套钻杆的研制J.煤炭科学技术，2013年41卷第3期5冀前辉.松软煤层中风压钻进供风参数研究及除尘装置研制D.西安：煤科总院西安研究院，20096田宏亮.全液压动力头式钻机液压系统动态分析及控制方法的研究D.西安：煤科总院西安研究院，2008 -全文完-
