基于Ad AMS的動力貓道扶持臂變幅機構優化設計

黃悅華，趙亮亮，李　峰，王耀華，劉　健，劉春寶

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002；3.中國海洋石油總公司，北京100027）①

基于Ad AMS的動力貓道扶持臂變幅機構優化設計

黃悅華1，2，趙亮亮1，2，李峰1，王耀華1，2，劉健3，劉春寶1，2

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002；3.中國海洋石油總公司，北京100027）①

以某型號浮式平臺動力貓道的扶持臂為研究對象，在ADAMS軟件中創建扶持臂變幅機構的動力學模型，在-762 mm（30英寸）套管的作用下對扶持臂進行仿真分析，得到變幅油缸受力曲線。在仿真過程中，以變幅油缸受力平均值最小為優化目標，求取變幅機構3個鉸接點的最優位置坐標。分析結果表明：優化后的鉸接點在仿真過程中明顯降低了變幅油缸的受力，同時減小了對液壓系統的沖擊，此方法可用于其他石油機械的優化設計中。

變幅機構；扶持臂；ADAMS；油缸；優化設計

浮式平臺動力貓道的扶持臂主要配合垂直排管機和貓道工作，其功能是將鉆井管柱從與貓道傾斜的狀態扶持到與鉆臺面垂直的位置。在此過程中，變幅油缸使扶持臂轉動一定的角度，變幅油缸力隨著管柱的傾角、扶持臂的轉角及變幅結構的參數變化而變化。在管柱傾角、扶持臂轉角已知的情況下，尋求變幅結構的最優參數成為降低油缸力的有效途徑。

動力貓道扶持臂的變幅結構參數是否得當，直接影響扶持臂的穩定性與可靠性及整體結構的緊湊性。目前，對此類結構的優化還停留在傳統的解析法和圖解法上面［1］，這些方法求解過程繁瑣，直觀性差，要得到精確的最優解是十分困難的。本文以扶持臂的三維模型為研究對象，利用動力學仿真軟件ADAMS［2］對扶持臂在扶持最大管柱762mm（30英寸）套管時進行仿真分析，進一步對變幅機構的3個鉸接點坐標進行優化［3-4］，最后根據求解結果建立優化后的扶持臂模型。

1　變幅機構虛擬樣機模型建立

扶持臂的變幅機構由變幅油缸、支座和扶持臂3部分組成，如圖1所示。點A標記為支座與扶持臂的鉸接點，點B標記為油缸與扶持臂的鉸接點，點C標記為支座與油缸的鉸接點。仿真分析主要研究油缸受力以及優化鉸接點的位置，所以建立虛擬樣機模型時各構件可以當成剛性體。支座使用固定副與基礎相連，3個鉸接點使用旋轉副連接，變幅油缸的活塞桿和缸筒使用平移副連接［5］，762mm （30英寸）套管與扶持臂添加接觸力。按照變幅油缸實際運動參數，利用step函數模擬油缸的伸縮來驅動扶持臂扶正套管，在變幅油缸活塞桿和缸筒之間的平移副上施加設置值為step（time，0，0，1，40）的平移驅動［6］?？紤]到浮式平臺升沉加速度和水平加速度的存在，因此在ADAMS中設置豎直方向的加速度為重力加速度與升沉加速度之和，水平方向加速度即為浮式平臺水平加速度。建立的虛擬樣機模型如圖2所示。

圖1　扶持臂變幅機構

圖2　扶持臂虛擬樣機模型

2　變幅機構三鉸接點位置優化分析

優化分析以設計變量為基礎，將設計變量x1，x2，…，xn作為變量，y作為設計目標，這樣設計變量和設計目標構成函數關系y＝（x1，x2，…，xn），而且設計變量滿足一定的約束方程fj（x1，x2，…，xn）≤0（j＝1，2，…，m），優化分析就是設計變量在滿足約束方程的前提下，尋求目標的最優解或最大、最小值，即

式中：s.t.代表約束方程。

2.1 設置優化目標

扶持臂在工作過程中，油缸主要承受拉力，油缸中的壓力大小跟活塞桿承受的拉力有關?；钊麠U承受拉力的最大值和最小值之差越小，液壓缸桿腔和塞腔的壓力變化越小，產生的液壓沖擊同時減小，而油缸承受的拉力受到3個鉸接點位置的影響。因此，綜合考慮油缸受力大小和液壓系統沖擊等因素，以油缸受力的平均值作為優化目標，本文使用測量（measure）創建優化目標（MOTION＿1＿FORCE）。

2.2 創建優化設計變量

對3個鉸接點進行參數化，創建設計變量。對鉸接點進行參數化后，修改動力學模型可以通過修改這些參數化點來完成。在建立好的扶持臂動力學模型中，利用ADAMS的參數化設計功能將A、B、C 3個點的x坐標和y坐標分別進行參數化，得到DV＿1～DV＿6共6個設計變量。根據3個鉸接點的位置關系，綜合考慮變幅運動的合理性、油缸行程、構件干涉等因素，確定6個設計變量的取值范圍，如表1所示。

表1　設計變量取值范圍　mm

2.3 變幅機構設計

以變幅油缸受力的平均值最小為優化目標，在ADAMS中對每個設計變量進行設計研究，輸出每次的仿真結果，通過分析每次的設計研究報告可以得到如下信息：

1） 設計變量的最優解。

2） 設計變量的變化對虛擬樣機性能的影響。

3） 樣機性能對設計變量值變化的敏感程度。

在ADAMS中，敏感度（S）和迭代次數（i）存在的關系為

式中：Q、V、i分別為目標值、設計變量值和迭代次數。

通過設計研究得到設計變量DV＿1～DV＿6對油缸受力（MOTION＿1＿FORCE）在不同取值處的敏感度，如表2所示。

表2　設計變量對　MOTION＿1＿FORCE的敏感度

由表2可以看出：設計變量DV＿1、DV＿2、DV ＿5、DV＿6對油缸受力（MOTION＿1＿FORCE）的影響最大，因此可將這4個變量作為最終優化的設計變量。

2.4 變幅機構的優化分析

以設計變量DV＿1、DV＿2、DV＿5、DV＿6為基礎，對目標進行優化分析。

根據ADAMS提供的目標優化分析報告，可以對優化前后的設計變量進行分析對比，如表3所示。

表3　設計變量優化前后對比

將優化后的設計變量值賦予變幅機構的動力學模型，重新對其進行仿真計算，得到變幅油缸的受力曲線，如圖4所示。由圖4可以看出：相比優化前，優化之后的油缸受力曲線明顯趨于平滑，受力值也比優化前平均減小36%，油缸的受力波動也有所減弱，這大幅減低了液壓系統的沖擊，改善了油缸的受力狀況，達到了優化設計的目的。

圖4　油缸受力對比

3　結論

1） 使用ADAMS進行建模仿真簡單方便、可視性強、效率高，縮短了產品的開發周期，此設計方法可以用在其他石油機械產品的設計研發上。

2） 以變幅油缸平均受力最小為目標建立測量函數，得到變幅油缸的受力曲線。通過對3個鉸接點進行迭代計算，找到最優的參數位置，優化后的模型明顯改善了油缸的受力，降低了對液壓系統的沖擊，為扶持臂的優化設計提供了可靠的依據。

［1］ 徐懷玉，鄭永生，王磊磊.ADAMS在變幅機構鉸點位置優化中的應用［J］.建筑機械，2011（3）：81-83.

［2］ 陳立平，張云清，任衛群，等.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］ 劉克旺，張彥廷，魏遼，等.基于虛擬樣機技術的游梁抽油機參數分析［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：19-22.

［4］ 駱華鋒，欒慶德.游梁式抽油機實體建模及仿真分析［J］.石油礦場機械，2008，37（12）：22-24.

［5］ 鄭建榮.ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［6］ USA Mechanical Dynamics，inc.Basic ADAMS Full Simu-lation Package Training Guide Version［Z］.2000.

Optimization design of the Amplitude Variation Mechanism of Supportive Arm of Power Catwalk Based on Ad AMS

HUANG Yuehua1，2，ZHAO Liangliang1，2，LI Feng1，WANGYaohua1，2，LIU Jian3，LIU Chunbao1，2

（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil and Gas Drilling Equipment Engineering Technology Research Center，Baoji 721002，China；3.China Nation Offshore Oil Corporation，Beijing 100027，China）

To make a study of supportive arm of one float power catwalk，the dynamic model of the amplitude variation mechanism of supportive arm is built by using ADAMS software，and the sim-ulation of supportive arm is done under the effect of762 mm（30 inches）casing pipe.The force in the amplitude variation cylinder is obtained.With the aim of the least of the average load in simulation，the optimized position of the three pin-connected joints of the amplitude variation cyl-inder is obtained.The result indicates that average load of the amplitude variation cylinder has a obvious decrease in simulation with the optimized pin-connected joints，at the same time，the press concussion on the hydraulic system is reduced.This technique can be used in the optimization for the other petroleum machinery.

amplitude variation mechanism；supportive arm；ADAMS；cylinder；optimization design

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.009

1001-3482（2015）07-0036-03

①2014-09-28

國家科技重大專項“深水半潛式鉆井平臺及配套技術”子課題“深水鉆機管子處理系統關鍵設備研制”（2011ZX05027-001-06）

黃悅華（1960-），男，陜西臨潼人，高級工程師，主要從事石油鉆機設計及技術管理工作，E-mail：jszxhyh＠bom-co.cn。