石油機械軟件分析平臺方案設計和優(yōu)化

王 雄

（新疆克拉瑪依市榮昌有限責任公司，新疆克拉瑪依834009） ①

石油機械軟件分析平臺方案設計和優(yōu)化

王 雄

（新疆克拉瑪依市榮昌有限責任公司，新疆克拉瑪依834009）①

應用現(xiàn)代設計理論和方法，通過對石油機械軟件分析平臺功能的定義、分析及綜合，從定性、定量2個方面進行分析和評價，獲得了石油機械軟件分析平臺的最優(yōu)方案，即應用Pro／E、ADAMS及ANSYS軟件作為其分析功能模塊，石油機械設計者可通過該平臺進行結構設計、運動學和動力學仿真，并在虛擬條件下檢驗設計結果的正確性。

石油機械；軟件；分析平臺；方案；優(yōu)化

原理和方案設計是應用系統(tǒng)科學理論，從產(chǎn)品的功能分析入手，研究產(chǎn)品的功能系統(tǒng)，明確產(chǎn)品的總功能、各子功能以及它們之間的關系；再依據(jù)設計要求，探尋原理解法，提出創(chuàng)造性方案的方法［1－2］。本文針對石油機械軟件分析平臺的主要應用功能提出原理性的構思［3］，探索了解決該分析平臺問題的物理效應和工作原理過程，對石油機械軟件分析平臺方案進行了設計與優(yōu)化。

1 功能定義

1.1 設計要求

石油機械軟件分析平臺能夠使設計者準確檢驗產(chǎn)品的裝配性能，可直觀地在虛擬條件下看到設計結果，隨時對零件設計參數(shù)、運動參數(shù)及選用材質(zhì)等進行改進，建立石油機械相關常規(guī)零部件調(diào)用模型庫［4］。

1.2 分析平臺

黑箱法是一種根據(jù)產(chǎn)品的輸入、輸出轉換關系來定義產(chǎn)品總功能的應用方法，由輸入部分、輸出部分及中間環(huán)節(jié)（黑箱）3部分組成［3］。圖1為石油機械軟件分析平臺黑箱，左、右兩邊由不同輸入形式（零件造型、計算機控制、能量）和輸出形式（實體模型、全套工程圖）組成，通過對圖中輸入和輸出的比較，概括該軟件分析平臺的總功能，輸出全套工程圖紙。

圖1 石油機械軟件分析平臺黑箱

2 功能分析

產(chǎn)品功能分析是指在對產(chǎn)品總功能定義的基礎上，按照各功能之間所要達到的實施目的及實施過程中所采用的方法或手段之間的關系；采取應用樹狀示意圖將石油機械軟件分析平臺的總功能進行分解，并構建功能結構系統(tǒng)，如圖2。

圖2 石油機械軟件分析平臺功能結構系統(tǒng)

3 功能綜合

石油機械軟件分析平臺功能綜合就是在功能分析的基礎上，進行平臺功能元的求解和相關方案的組合。石油機械軟件分析平臺總功能共分解為9個單元，利用形態(tài)學矩陣（如表1）進行方案組合可得到N個組合方案，即

N＝3×3×2×3×3×2×2×2×2＝2 592

根據(jù)石油機械軟件分析平臺的設計要求，剔除與平臺功能設計要求不符及與各功能元的解（軟件模塊功能）不相容的方案，結合設計經(jīng)驗選擇可行組合方案。

1） 方案1 A3＋B3＋C2＋D1＋E1＋F1＋G2＋H2＋I1。

2） 方案2 A2＋B2＋C2＋D2＋E2＋F2＋G1＋H1＋I2。

3） 方案3 A1＋B1＋C1＋D2＋E2＋F2＋G2＋H1＋I2。

表1 石油機械軟件分析平臺形態(tài)學矩陣

4 設計方案評價

分析平臺設計方案評價決策就是在眾多已有功能綜合基礎上，選擇確定出切實可行的3套組合方案，按照預先確定的評價目標或評價指標給予定性以及定量的評價，并從中選擇最佳設計方案，以期為后續(xù)實際分析平臺的研發(fā)提供參考［2－3］。

4.1 定性評價

通過對已選定的3套原理設計方案進行比較分析，3種方案在平臺零件設計、裝配模塊的實現(xiàn)、運動及動力學仿真和材料有限元分析所借助軟件各不相同。

1） 零件設計、裝配模塊 表1所例舉的3種三維實體建模軟件均可實現(xiàn)，但在CAXA軟件建模中，實體精度不高，易造成后續(xù)設計零部件干涉；Pro／E軟件三維實體建模功能強大、建模數(shù)據(jù)傳輸接口性能優(yōu)良，且與諸多動力、運動分析軟件傳輸坐標一致，方便后續(xù)優(yōu)化設計［5］。

2） 運動、動力學仿真 Pro／E、ADAMS及UG軟件在石油機械三維實體運動及動力學仿真中各有特點。Pro／E軟件三維實體建模功能強大，通常在其界面內(nèi)直接進行運動及動力學仿真省工省力，免去了不同軟件之間因為接口不同而繁瑣的轉化步驟，但應用該軟件后所獲得運動及動力參數(shù)較少，很多數(shù)據(jù)不能夠直接獲得；UG軟件主要偏向于涉及諸多曲面的石油及礦山機械，應用時具有局限性；ADAMS軟件中其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對導入的石油機械虛擬機械系統(tǒng)進行分析，具有強大的運動學和動力學分析功能［6－7］。

3） 有限元分析 Solid Works軟件中帶有材料有限元分析模塊，但是僅針對一些形狀簡單的零部件，且該軟件的接口適應性有限；ANSYS軟件是專門為材料有限元分析所設計，提供了與大多數(shù)三維軟件進行數(shù)據(jù)共享和交換的圖形接口，適用范圍較廣［8］。

4.2 定量評價

選用通常所應用的加權系數(shù)法進行分析平臺設計方案的分析評價。

4.2.1 確定評價目標及加權系數(shù)

根據(jù)石油機械軟件分析平臺功能實現(xiàn)設計要求，確定了4項評價指標，利用判別法計算各評價指標的加權系數(shù)。評價指標和加權系數(shù)值如表2所示［3］。

表2 加權系數(shù)判別計算

4.2.2 方案評分

在石油機械軟件分析平臺設計評價階段，通常采用10分制評分標準（如表3）進行評分。為了減少由于個人的主觀因素對方案評分的影響，采用集體評分法對石油機械軟件分析平臺3個已選定結構方案進行評價，其平均分作為有效分值進行參考，設

計方案評價分析結果如表4。

表3 評分標準

表4 石油機械軟件分析平臺評價分值

4.2.3 計算有效分值

通過表2～4評價分值，計算已選擇3種方案的有效分值。

1） 方案1 F＝6×0.357＋4×0.214＋4× 0.25＋6×0.179＝5.072。

2） 方案2 F＝8×0.357＋8×0.214＋6× 0.25＋10×0.179＝7.858。

3） 方案3 F＝4×0.357＋4×0.214＋2× 0.25＋4×0.179＝3.5。

由3種方案的有效分值的計算結果可以看出，方案2的有效評分值最高為7.858，可作為石油機械軟件分析平臺設計的最佳方案。

通過對石油機械軟件分析平臺的3個初選方案進行定性分析和定量評價，確定方案2，即A2＋B2＋C2＋D2＋E2＋F2＋G1＋H1＋I2為最佳原理設計方案。

5 結語

從系統(tǒng)功能出發(fā)，采用形態(tài)學矩陣的方法提出了軟件設計平臺設計預選方案的有效方法；列出了該平臺實現(xiàn)每一個功能模塊、功能子方案的優(yōu)缺點。結合實際經(jīng)驗提出了石油機械軟件分析平臺設計的3個方案。通過對石油機械軟件分析平臺方案進行設計與優(yōu)化，從定性、定量2方面分析比較得出了最優(yōu)方案，即該平臺應用Pro／E、ADAMS及ANSYS軟件作為其分析功能模塊，實現(xiàn)效果最佳。該設計與優(yōu)化方法的應用可為我國石油機械軟件分析平臺的研發(fā)提供參考。

［1］ 王春雨，張廣文.自動沖切機原理方案設計［J］.機械設計與制造，2007（7）：213－214.

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［3］ 廖林清.機械設計方法學［M］.四川：重慶大學出版社，1996.

［4］ 周玉存.基于Pro／Engineer的裝配仿真技術在石油機械設計中的應用［J］.石油工程建設，2006，32（5）：71－72.

［5］ 張建龍，周體秋.石油機械計算機輔助制圖系統(tǒng)在鉆井工具制圖中的應用［J］.石油鉆探技術，1997，25（2）：45－46，55.

［6］ 黃傳勇.基于Pro／E的CAD／CAM一體化技術研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，18（3）：110－112.

［7］ 李 光，仝雷強，張永明，等.基于Pro／E及ADAMS的液壓挖掘機整機機構的建模與運動仿真［J］.機械管理開發(fā)，2010，25（6）：46－48.

［8］ 毛 君，劉繼權，謝 苗.虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術在石油機械領域的應用展望［J］.石油礦場機械，2006，35（6）：69－72.

Scheme Design and Optimization of Soft Ware Analysis Platform of Petroleum Machinery

WANG Xiong
（Xinjiang Karamay Rong chang Co.，L td.，Karamay834009，China）

According to development process function demand of petroleum machinery，using modern design theory methodology to design and optimization of soft ware analysis platform based on petroleum machinery，through defining and analyzing and compositing the total function，from the two aspects of the qualitative and quantitative to analysis and evaluation the principle scheme，the optimization principal scheme of soft ware analysis platform was obtained based on petroleum machinery，which uses PRO／E，ADAMS and ANSYS software as the analysis platform function module.This design and optimization method will provide the important technical reference and guidance for researching of soft ware analysis platform based on petroleum machinery in China.

petroleum machinery；soft ware；analysis platform；principal scheme；optimization

1001－3482（2012）01－0076－04

TE9

B

2011－09－06

王 雄（1980－），男，甘肅定西人，主要從事石油機械制造及進口發(fā)動機維修工作，E－mail：victor198208＠163.com。