CAE技術在鉆探裝備研發中的應用

孫文剛　李冬生　高崗

摘 要：本文對CAE技術在鉆探裝備研發中的優勢、定位、CAE技術分析能力的形成、CAE技術在鉆探裝備研發中實際應用以及在CAE應用中遇到的問題進行了介紹，并結合實例進行分析。通過將CAE技術應用于鉆探裝備研發實際，其結果表明：CAE技術能縮短研發周期，減少研發成本，提高設計質量。

關鍵詞：CAE仿真； CAE應用；鉆探裝備；全生命周期

1.CAE概述

CAE（Computer Aided Engineering）是使用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。CAE通常指有限元（FEA）分析和機構的運動學及動力學分析[1]。

2.CAE技術在鉆探裝備研發中的應用

在鉆機研制過程中，多種因素制約，會產生各種問題。最常用的解決辦法是，請專家或采用相應的儀器找出故障點，采取相應措施。通常提出的修改建議或許只針對某個零部件，但對整機來說，在解決一個問題的同時，很可能帶來其他問題。早期采用CAE技術，投入總量和傳統做法相比要少得多，鉆機投產后，能將投入維持在很低的水平，從總體上來說，降低了鉆機開發的總費用，上市時間也會提前。

2.1概念（初步）設計階段的CAE仿真分析

該階段的CAE仿真分析可以為設計人員提供設計工程師基礎設計驗證、不同方案的比較計算與分析，并為領導進行鉆機設計方案決策和商務決策提供參考依據，能夠回答企業是否能在預定時間、預定成本以及現有設備等約束條件下完成鉆機的研發和制造任務。

2.2詳細（工作圖）設計階段的CAE仿真分析

詳細設計階段包括系統設計、部件裝配、子部件裝配、零件設計，直到圖紙、材料、制造工藝等。

2.3試驗階段的CAE仿真分析

該階段是鉆機設計完成后的關鍵階段。目前大多數企業都是先制造鉆機的物理樣機，投入試驗。針對實驗失敗的方面，重新設計、制造和試驗，如此反復，直到定型通過。上述重復過程，在成本和時間上都造成極大浪費。

2.4制造階段的CAE仿真分析

該階段是鉆機實際制造的階段。通過仿真計算可以進一步優化制造的工藝流程、減少廢料，并且可以針對加工錯誤進行演算，通過修改圖紙尺寸來保證交貨期，避免廢品和返修。

2.5應用CAE技術規避專利壁壘

例如某新型鉆機在設計過程中，其結構設計時在滿足強度、剛度要求的前提下，進行仿真優化，改變結構形式，其強度和剛度能否滿足設計要求，結構自重是否最輕，材料利用率是否最合理等等，一定會有別于國外同類型鉆機。經過設計工程師和CAE結構工程師的共同努力，大幅提高鉆機的使用壽命且維護簡單、性能優越，現已投入使用，并贏得用戶的信賴。CAE技術不僅可以打破國外知識產權技術壁壘，規避已有的專利保護，而且與此同時也使得我們獲得自主的知識產權，申請專利保護。

2.6應用CAE技術減重優化結構

某型鉆機機架在減重前重量約為23噸[3]，通過應用多目標參數優化，形狀優化等CAE技術對原設計方案托板，上橫梁，方鋼等多個零件和鉆機整體機架進行了20余次結構優化計算，在滿足功能要求的前提下，機架減重約3噸，避免了整機超重，經濟效果顯著。

CAE主導的鉆探裝備研發設計過程如下：

圖1分別介紹了無CAE活的的產品研發過程，CAE介入的鉆機研發過程和CAE主導的研發過程。對比發現有CAE介入的研發過程，可以減少循環次數。CAE主導的研發過程，以CAE技術為依托，與設計過程緊密結合，直接通過樣機驗證。

CAE技術在鉆探裝備研發中的應用如下：

（1）整機及零部件結構靜態、動態以及模態分析，針對零部件的強度、剛度、應力和應變進行分析。如圖2所示。

（2）零件尺寸、形狀及多參數目標優化，在保證尺寸、形狀等要求的前提下進行形狀優化以達到減重等目的的分析。

（3）可靠性及疲勞分析，針對鉆桿，鉆頭等疲勞易損件進行分析，優化結構，增強使用壽命。如圖3所示。

（4）多體運動學，動力學分析。在鉆機研發過程中進行動力學和運動學分析，為設計過程提供數值量化的參考依據。

（5）流體分析，在鉆探裝備中，除塵或者排渣涉及到氣體、固體或者氣體、固體和液體多項流耦合的問題。如圖4所示。

（6）熱分析。例如在焊接過程中，通常會產生熱變形。焊接變形對設計、制造都造成了很多的困難。

CAE技術在鉆機性能試驗上的應用：

結構設計師最具挑戰性的任務是要保證設計的鉆機系統動力學性能滿足規格的要求，零部件是否與設計要求和運動關系的一致性。最好的解決方案是在樣機成型之前得知鉆機動力學性能，靈活調整方案避免失誤。

可以運用運動學仿真軟件如LMS Virtual， lab Motion，Adams和Dytran等進行運動學分析。以履帶鉆機爬坡實驗舉例，試驗場地坡度為十五度。運用相關軟件可以提前對鉆機爬坡實驗進行模擬并且坡度可以在軟件中調整，測試爬坡極限性能。LMS AMESIM模塊對液壓回路仿真，圖5是履帶行走液壓回路原理圖，圖6是履帶適應性仿真模型。

CAE技術在解決售后產品上的應用：

在鉆機的實際使用過程中遇到的問題有些是設計指出所沒有考慮到。這時要求設計人員結合CAE技術和實際工程狀況進行分析，更改或者制定新的設計方案并將問題和解決措施備案為后續設計提供技術支持。

在裝備制造業市場競爭日益激烈的現在，CAE技術也遇到了前所未有的機遇。CAE技術在鉆探裝備制造業的使用越來越受到企業管理者的重視，它能有效降低企業生產成本，縮短研發周期，為企業產生巨大的經濟效益，體現出了較廣泛的使用價值。

參考文獻：

[1]劉昊，陳憲戰等.CAE技術現狀及其在石油物探機械裝備設計中的應用[J].物探裝備，2010，4月第20卷第二期

[2]程德彬.關于船用柴油機研發及CAE應用的分析[J].裝備制造技術，2012年第8期

[3]ZHANG You-zhen. ZHANG Jian-ming， SHI Zhi-jun， Application and development of numerical simulation for underground horizontal directional drilling，JOURNAL OF COAL SCIENCE & ENGINEERING[J]，Vol，18No，1Mar，2012

[4]田東莊，石智軍，龔城，董萌萌.煤礦井下近水平定向鉆進配套鉆桿的研制[J].煤炭科學技術，2013年41卷第3期

[5]冀前輝.松軟煤層中風壓鉆進供風參數研究及除塵裝置研制[D].西安：煤科總院西安研究院，2009

[6]田宏亮.全液壓動力頭式鉆機液壓系統動態分析及控制方法的研究[D].西安：煤科總院西安研究院，2008

作者簡介：孫文剛（1989，1-），男，陜西寶雞，中煤科工集團西安研究院有限公司，助理工程師，研究方向為鉆探裝備生產管理與應用。