基于UG的膨脹套管螺紋接頭參數(shù)化建模①

杜 聰,張建兵,蔣成銀

1(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,西安 710065)

2(長(zhǎng)慶油田公司 第三采氣廠,鄂爾多斯 017000)

膨脹套管技術(shù)極大的促進(jìn)了石油天然氣工程技術(shù)的發(fā)展[1].膨脹套管螺紋接頭作為膨脹套管技術(shù)中的關(guān)鍵,決定著套管膨脹過(guò)程的可靠性.當(dāng)前對(duì)于膨脹套管螺紋接頭的優(yōu)化分析多采用二維模型,該方法相對(duì)三維實(shí)體模型并不能完全反映接頭的信息[2–4].為得到更為真實(shí)的仿真結(jié)果,同時(shí)適應(yīng)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)要求,很有必要建立膨脹套管螺紋接頭的三維模型.

現(xiàn)有三維建模過(guò)程繁瑣,即使進(jìn)行微小的改動(dòng),也需要重頭開(kāi)始進(jìn)行建模[5].引入?yún)?shù)化后只需修改接頭相關(guān)參數(shù)就能直接生成所需模型,在節(jié)省了重復(fù)建模時(shí)間的基礎(chǔ)上,同時(shí)還減少了建模出錯(cuò)的幾率.本文以UG 軟件作為膨脹套管螺紋接頭的建模平臺(tái),分析膨脹套管螺紋接頭的參數(shù)化建模方法.

1 建立膨脹套管螺紋接頭模板

膨脹套管螺紋接頭應(yīng)具備兩個(gè)最基本的功能:一是連接功能,將兩個(gè)套管連接在一起,使得管柱在生命周期內(nèi)可以承受拉伸、壓縮等載荷;二是壓力承載,在井下內(nèi)外壓力的作用下仍能保持密封性[6].此外,膨脹套管螺紋接頭在井下還有一個(gè)擴(kuò)徑過(guò)程,這就要求膨脹套管螺紋接頭在膨脹前、膨脹時(shí)及膨脹后都保持良好的密封性和連接性,其結(jié)構(gòu)相對(duì)API 螺紋接頭進(jìn)行了如下改變:

(1)整體結(jié)構(gòu)選用內(nèi)外徑和管體平齊的直連型接頭,當(dāng)擴(kuò)徑時(shí)螺紋接頭和套管平滑過(guò)渡,避免了派生應(yīng)力的產(chǎn)生;

(2)設(shè)計(jì)有專門的密封機(jī)構(gòu),防止膨脹套管接頭在擴(kuò)徑后密封性下降;

(3)添加扭矩臺(tái)肩機(jī)構(gòu),控制膨脹套管接頭上卸扣時(shí)的扭矩,并能承受更高的扭矩負(fù)載;

(4)采用倒勾型螺紋,提高套管接頭的連接性能,同時(shí)也可防止膨脹后套管回彈導(dǎo)致內(nèi)外螺紋脫離.

以表1中的參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行接頭建模[7,8].參數(shù)化設(shè)計(jì)使用定義的核心參數(shù)與所設(shè)計(jì)零部件各尺寸、形狀、位置間關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化關(guān)聯(lián),并通過(guò)控制核心參數(shù)來(lái)控制參數(shù)化模型[9,10].膨脹套管螺紋接頭在進(jìn)行建模時(shí)所有的參數(shù)都通過(guò)UG 表達(dá)式進(jìn)行標(biāo)注,以保證全部參數(shù)都直接或間接由核心參數(shù)控制,外螺紋接頭模型如圖1所示.

表1 膨脹套管螺紋接頭基本參數(shù)

圖1 基于表達(dá)式建立的膨脹套管外螺紋接頭模型

2 Visual Studio (VS)編譯二次開(kāi)發(fā)方法

VS 二次開(kāi)發(fā)方法就是將嵌入式系統(tǒng)集成到UG軟件中去,通過(guò)菜單響應(yīng)來(lái)控制所建立的動(dòng)態(tài)鏈接,實(shí)現(xiàn)特定程序功能.該方法作為目前主流的二次開(kāi)發(fā)方式,具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性.

2.1 環(huán)境變量設(shè)置

在UG 安裝目錄中創(chuàng)建文件夾TKLTOOLS,用于存放膨脹套管螺紋接頭二次開(kāi)發(fā)所需文件.TKLTOOLS包含3 個(gè)子文件夾,其中application 文件夾用于存放編譯文件,startup 文件夾用于存放菜單編輯文件,prt 文件夾用于存放上文所建的膨脹套管螺紋接頭模型.

UG 并不能識(shí)別新創(chuàng)建的文件夾,需要在系統(tǒng)中添加新的環(huán)境變量:

變量名:UGII_VENDOR_DIR

變量值:${UGII_BASE_DIR}TKLTOOLS

2.2 用戶界面設(shè)計(jì)

UG/Open UI Styler 是UG 二次開(kāi)發(fā)工具中的可視化編輯器,可以制作出和UG 軟件具有相同風(fēng)格的人機(jī)交互界面.結(jié)合膨脹套管螺紋接頭建模所需參數(shù),利用“塊UI 樣式編輯器”進(jìn)行編輯,主要使用“布局”中的“組”和“編號(hào)”中的“表達(dá)式”等功能進(jìn)行用戶界面設(shè)計(jì).通過(guò)“組”block 將膨脹套管螺紋接頭的參數(shù)分為接頭整體參數(shù)、螺紋牙和密封結(jié)構(gòu)3 組.再通過(guò)“表達(dá)式”block 將所需參數(shù)放在對(duì)應(yīng)的分組內(nèi),完成如圖2所示的對(duì)話框設(shè)計(jì).完成膨脹套管螺紋接頭用戶界面設(shè)計(jì)后,將其保存在application 文件夾中并命名為pengzhang_taoguan,系統(tǒng)自動(dòng)生成后綴為dlx、cpp和hpp的3 個(gè)程序.

圖2 接頭對(duì)話框及對(duì)話框?qū)傩?/p>

2.3 創(chuàng)建可執(zhí)行程序

所創(chuàng)建的用戶界面與參數(shù)化模型并沒(méi)有直接關(guān)聯(lián),還需使用Visual Studio 編譯器將編寫(xiě)的程序和UGAPI相互融合,通過(guò)程序訪問(wèn)并調(diào)用UG API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模功能,具體過(guò)程如圖3所示.

圖3 VS 創(chuàng)建可執(zhí)行程序流程

2.4 系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)

菜單欄的制作需要使用二次開(kāi)發(fā)模塊中的UG/OPEN Menu Script 功能,生成自定義菜單,通過(guò)自定義菜單將編譯文件與UG 進(jìn)行鏈接.具體操作為在新建的startup文件夾中創(chuàng)建一個(gè)新的文本文件(.men),用記事本編輯如下菜單代碼:

VERSION 120

EDIT UG_GATEWAY_MAIN_MENUBAR

AFTER UG_VIEW

CASCADE_BUTTON TKL_TOOLS_MEN

LABEL 膨脹套管螺紋接頭

END_OF_AFTER

MENU TKL_TOOLS_MEN

BUTTON pengzhang_taoguan

LABEL 膨脹套管外螺紋接頭

ACTIONS pengzhang_taoguan

BUTTON pengzhang_taoguan1

LABEL 膨脹套管內(nèi)螺紋接頭

ACTIONS pengzhang_taoguan1

END_OF_MENU

完成菜單欄編輯后,再次啟動(dòng)UG 時(shí)即可在視圖菜單后面看到自定義的膨脹套管接頭菜單,如圖4所示.選擇相應(yīng)模塊即可打開(kāi)對(duì)應(yīng)螺紋接頭的對(duì)話框,同時(shí)調(diào)用VS 編譯的鏈接文件,對(duì)話框中初始數(shù)據(jù)為螺紋接頭參數(shù)化建模時(shí)所使用數(shù)據(jù),用戶根據(jù)自身需求輸入所需參數(shù),點(diǎn)擊確定按鈕即可生成對(duì)應(yīng)膨脹套管螺紋接頭模型.

圖4 膨脹套管接頭菜單

3 UG PLM 二次開(kāi)發(fā)方法

UG 產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)(product lifecycle management,PLM)是包含產(chǎn)品創(chuàng)意、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、工藝仿真、制造執(zhí)行、數(shù)據(jù)管理等整個(gè)生命周期的管理系統(tǒng).使用PLM 功能可直接完成螺紋接頭的人機(jī)交互設(shè)計(jì),與常規(guī)二次開(kāi)發(fā)方法相比完全不用編程,可以極大地降低二次開(kāi)發(fā)的難度,是UG 參數(shù)化模型建立人機(jī)交互界面最簡(jiǎn)單、最便捷的方式.使用UG產(chǎn)品模板工作室(product template studio author,PTS)及重用庫(kù)兩個(gè)模塊就可實(shí)現(xiàn)膨脹套管螺紋接頭的參數(shù)化設(shè)計(jì).

3.1 基于PTS的用戶界面設(shè)計(jì)

UG 在完成模型樣板后直接進(jìn)入PTS author 模塊,該模塊以UG/OPEN UI Styler 開(kāi)發(fā)工具為基礎(chǔ),由PTS 瀏覽器、產(chǎn)品模板工作室和用戶界面3 部分組成.產(chǎn)品模板工作室是輸入和嵌入式驗(yàn)證工具,與膨脹套管螺紋接頭建模過(guò)程中所使用的草圖、體特征、核心參數(shù)、表達(dá)式等都直接相關(guān)聯(lián),因此無(wú)需編程即可實(shí)現(xiàn)用戶界面設(shè)計(jì).

首先根據(jù)膨脹套管螺紋接頭主要結(jié)構(gòu)在用戶界面劃分接頭整體參數(shù)、螺紋牙和密封結(jié)構(gòu)3 個(gè)分組.隨后在表達(dá)式界面將相應(yīng)的核心參數(shù)如外徑、壁厚、長(zhǎng)度、密封面寬度、密封面錐度等添加到對(duì)應(yīng)的分組內(nèi),逐步完成用戶界面設(shè)計(jì),如圖5所示.

圖5 PTS 模塊建立的用戶界面對(duì)話框

3.2 重用庫(kù)編輯

機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中需要使用大量的標(biāo)準(zhǔn)零件,如螺母、螺栓、軸承等以及企業(yè)自己所設(shè)計(jì)的大量自定義特征.為了便于管理這些可重用數(shù)據(jù),UG軟件提供了重用庫(kù)模塊.

將重用庫(kù)、模型樣板以及PTS 相結(jié)合就可得到參數(shù)化系統(tǒng).在重用庫(kù)模塊創(chuàng)建一個(gè)新的自定義庫(kù)“膨脹套管螺紋接頭重用庫(kù)”,將在產(chǎn)品模板工作室制作完成的膨脹套管螺紋接頭添加到自定義庫(kù)中,可直接完成相關(guān)二次開(kāi)發(fā).在重用庫(kù)點(diǎn)擊相應(yīng)位置即可在建模或裝配模塊中創(chuàng)建所需膨脹套管螺紋接頭模型,如圖6所示.

圖6 膨脹套管螺紋接頭重用庫(kù)界面

4 結(jié)論

本文基于UG 軟件提出了兩種二次開(kāi)發(fā)方法,兩種二次開(kāi)發(fā)方法互有優(yōu)劣,總體來(lái)說(shuō)基于PLM的方法更加便利.使用Visual Studio 開(kāi)發(fā)環(huán)境是目前應(yīng)用最廣泛的二次開(kāi)發(fā)方式,該方法除了UG 外還可對(duì)CAD、SolidWorks 等建模軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),具有良好的適用性.UG PLM 方法將接頭模型和用戶界面的工具欄直接關(guān)聯(lián),免去了編程操作,適合沒(méi)有編程基礎(chǔ)的人員使用,是目前最簡(jiǎn)單、高效的UG 參數(shù)化建模方法之一.