基于UG NX Wave和UDF的塔型井架參數化建模

周小峰，雷振軍,2，王東,2，黃許澎,2

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

塔型井架是一種常見的井架形式。海洋平臺鉆機模塊中的井架基本上都采用塔式結構。其具有受力穩定性好、操作空間大等優點。近年來，隨著陸上油氣資源的不斷減少，海洋石油資源的勘探和開發逐漸成為業內關注的重點，塔型井架在海洋油氣勘探開發中得到了越來越廣泛的應用。

塔型井架具有典型的空間桁架結構（如圖1）。主要由各種型材和連接板通過螺栓連接而成。客戶訂貨時，由于平臺上各設備參數不確定，造成井架高度、頂部開檔、底部開檔等主要參數反復更改。用常規AutoCAD二維設計，由于不支持尺寸驅動，經常出現變動幾個參數就導致整個井架需要重新設計的狀況。設計中，也經常需要根據受力狀況更改型材規格。因此需要運用參數化減少設計中的重復工作。

圖1 塔型井架現場

UG NX軟件是集CAD/CAM/CAE 于一體的軟件成系統[1]，可為用戶提供功能強大的參數化設計功能。其中Wave技術在自頂向下設計中發揮著重要作用。UG NX功能強大，是四大主流三維參數化設計工具之一，能夠滿足參數化設計的需要。

1 基于Wave，通過控制結構實現產品布局參數化

1.1 自底向上的裝配的缺點

利用UG NX軟件，基于二維繪制圖樣，建立每個立柱、斜撐等實體模型的自底向上的裝配方案，若遇見了以下問題，將導致參數化無法進行。

1)相關尺寸不能一次性修改。塔型井架的橫梁和斜撐長度由開檔和高度決定。如圖2所示，當修改x1、x2、h1時，對應的橫梁、斜撐等尺寸發生改變。采用自底向上方案，要逐一修改每個橫梁、斜撐尺寸，需通過CAD等二維圖進行每個尺寸放樣，失去了使用NX軟件的意義。

圖2 塔型井架主要參數

2）部件太多，施加的裝配約束太多，且各約束間沒有主次先后之分，約束的管理和修改都很麻煩，修改后經常發生錯位等錯誤。

3)從AutoCAD根據幾何原理放樣出來的圖樣，考慮到加工精度要求，經常要進行圓整, 會和理論值產生誤差。這會經常導致裝配發生錯誤，例如本應嚴格對齊的兩個面經常會有角度或者距離誤差。

1.2 UG NX Wave技術實現產品參數化

自底向上沒有從總體的角度考慮問題，各個部件各自獨立，自然很難組成一個有機的整體。UG NX Wave技術就是為解決這個問題而產生的，它融合了參數化造型技術和系統工程[2]，自上而下全相關，把方案的總體設計參數和零部件間的相關變量或參數作為紐帶，兼容產品設計準則和專業規范，將總體方案與零部件的設計作為一個有機的整體。

1.2.1 UG NX Wave的基本步驟

1）分析產品結構，理清全局變量和局部變量，搭建產品的控制結構（如圖3）。使用草繪、基準面等建模手段，表達產品的總體參數、零部件布置與定位信息等。

圖3 控制結構搭建

2）使用Wave幾何鏈接器[2]，從控制結構中關聯復制幾何元素，零部件圍繞此幾何元素進行詳細設計。產品設計從粗到細，符合人的思維習慣和產品設計的流程。

1.2.2 利用UG NX Wave建立塔型井架實例展現

塔型井架是典型的桁架結構，型材的中心線組成一個線框，決定著塔型井架的開檔等主要設計參數。從圖2可以看出，塔型井架的頂部開檔、底部開檔、高度等決定著橫撐和斜撐的位置和長度。框架搭建過程如下:1）在3個不同高度的基準面上，用草繪表達頂部開檔、收縮點開檔、底部開檔；2）根據開檔線條，繪制塔型井架4個側基準面；3）在每個側基準面上，繪制橫撐斜撐中心線。

進入詳細設計階段后，使用Wave幾何鏈接器把中心線和4個側基準面關聯復制到相應部件。為了后續處理型鋼結點方便，把井架以收縮點為界，分為上下部件。當然也可以每個桿件為一個部件，但這樣會使得結點難以處理。部件組織關系如圖4所示。上部鏈接了中心線和基準面后，就可以基于這些主要信息進行詳細設計。

圖4 部件組織關系圖

2 基于UDF建立型材庫,實現型材參數化

2.1 常用建庫方法的缺點

塔型井架是桁架結構，大量使用了H型鋼、槽鋼、角鋼等型材。假如每個桿件都繪制截面掃描的話，費時費力。因此，型材庫的建立對于塔型井架的參數化具有重要的意義。對于型材，常通過部件族建庫和利用管道模塊提供的功能建庫。

2.1.1 部件族建庫的缺點

部件族表是先建立一個標準模型，然后建立族表，族表（如圖5）的每一列對應模型的一個主要參數，族表的每一行是不同的參數值。族表調用時可以選擇參數，然后通過裝配約束進行定位。調用部件族本質上仍然是裝配，只適用于自底向上設計。族表方式建立的型材庫裝配繁瑣，且型材間處理結點不便。

圖5 部件族表式工字鋼庫

2.1.2 管道模塊建庫的缺點

管道模塊建庫是一種自頂向下式建庫方式，可以依托中心線生成型鋼。但它有以下幾個缺點:

1)需要具有管道模塊許可證，提高了企業成本。建模時經常要在管道模塊和建模模塊之間切換，比較繁瑣。

2)型材的定位不夠方便，對于不與工作坐標系正交的桿件，定位比較麻煩。

3) 修改參數不便。要改變型材的參數，只能先在庫里建好改變參數化后的型材，然后使用替換的方式，比較麻煩。

4)掃描線和型材中心線有時需要偏置，管道模塊建的型材很難修改偏置距離。

2.2 UDF建立的型材庫的優點

UDF建立的型材庫調用界面如圖6 所示，其界面友好，優點如下：

圖6 工字鋼UDF庫調用

1）可以方便地修改型材的參數。不需要把型材規格預先定義一個表格。

2）支持錨點和相對錨點的偏移。通過改變intx和inty的值，可以使型材的邊緣等錨點通過掃描線，通過改 變xoffset 和yoffset 值 可以控制相對錨點的偏移。

3）定位方便。具有兩個參考，參考1為掃描線，決定型材位置，參考2可以選擇與型材某表面平行的基準面，決定了型材的初始角度。可以在輸入框里改變相對參考基準面的角度。無論與工作坐標系是否正交，都可以方便地定位型材。圖7中的工字鋼上表面就是傾斜的。比管道模塊型材定位方式方便很多。

圖7 斜面上的工字鋼

4）全部操作都在建模模塊完成，可減少切換模塊的麻煩，節約時間，且不需購買管道模塊，降低了企業成本。

5）建庫步驟簡單。主要有繪制模型文件、模型約束、型材定位及用戶定義特征4個步驟。3 成果及展望。

賦予型材后，經過處理結點、建立耳板等后續操作，最終模型如圖9所示。通過搭建控制結構和Wave技術，實現了井架的自頂向下設計[3]，實現了產品級別的參數化；通過UDF技術，建立了參數化的型材庫，實現了零件級參數化。相同結構的塔型井架可以參數化驅動，提高了設計效率，減少了設計者的重復性勞動。

圖8 建立UDF庫

圖9 井架最終模型圖