基于UG NX Wave和UDF的塔型井架參數(shù)化建模

周小峰，雷振軍,2，王東,2，黃許澎,2

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

塔型井架是一種常見(jiàn)的井架形式。海洋平臺(tái)鉆機(jī)模塊中的井架基本上都采用塔式結(jié)構(gòu)。其具有受力穩(wěn)定性好、操作空間大等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著陸上油氣資源的不斷減少，海洋石油資源的勘探和開(kāi)發(fā)逐漸成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)，塔型井架在海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

塔型井架具有典型的空間桁架結(jié)構(gòu)（如圖1）。主要由各種型材和連接板通過(guò)螺栓連接而成?？蛻粲嗀洉r(shí)，由于平臺(tái)上各設(shè)備參數(shù)不確定，造成井架高度、頂部開(kāi)檔、底部開(kāi)檔等主要參數(shù)反復(fù)更改。用常規(guī)AutoCAD二維設(shè)計(jì)，由于不支持尺寸驅(qū)動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)變動(dòng)幾個(gè)參數(shù)就導(dǎo)致整個(gè)井架需要重新設(shè)計(jì)的狀況。設(shè)計(jì)中，也經(jīng)常需要根據(jù)受力狀況更改型材規(guī)格。因此需要運(yùn)用參數(shù)化減少設(shè)計(jì)中的重復(fù)工作。

圖1 塔型井架現(xiàn)場(chǎng)

UG NX軟件是集CAD/CAM/CAE 于一體的軟件成系統(tǒng)[1]，可為用戶提供功能強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能。其中Wave技術(shù)在自頂向下設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。UG NX功能強(qiáng)大，是四大主流三維參數(shù)化設(shè)計(jì)工具之一，能夠滿足參數(shù)化設(shè)計(jì)的需要。

1 基于Wave，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品布局參數(shù)化

1.1 自底向上的裝配的缺點(diǎn)

利用UG NX軟件，基于二維繪制圖樣，建立每個(gè)立柱、斜撐等實(shí)體模型的自底向上的裝配方案，若遇見(jiàn)了以下問(wèn)題，將導(dǎo)致參數(shù)化無(wú)法進(jìn)行。

1)相關(guān)尺寸不能一次性修改。塔型井架的橫梁和斜撐長(zhǎng)度由開(kāi)檔和高度決定。如圖2所示，當(dāng)修改x1、x2、h1時(shí)，對(duì)應(yīng)的橫梁、斜撐等尺寸發(fā)生改變。采用自底向上方案，要逐一修改每個(gè)橫梁、斜撐尺寸，需通過(guò)CAD等二維圖進(jìn)行每個(gè)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(shù)

2）部件太多，施加的裝配約束太多，且各約束間沒(méi)有主次先后之分，約束的管理和修改都很麻煩，修改后經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)位等錯(cuò)誤。

3)從AutoCAD根據(jù)幾何原理放樣出來(lái)的圖樣，考慮到加工精度要求，經(jīng)常要進(jìn)行圓整, 會(huì)和理論值產(chǎn)生誤差。這會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致裝配發(fā)生錯(cuò)誤，例如本應(yīng)嚴(yán)格對(duì)齊的兩個(gè)面經(jīng)常會(huì)有角度或者距離誤差。

1.2 UG NX Wave技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化

自底向上沒(méi)有從總體的角度考慮問(wèn)題，各個(gè)部件各自獨(dú)立，自然很難組成一個(gè)有機(jī)的整體。UG NX Wave技術(shù)就是為解決這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的，它融合了參數(shù)化造型技術(shù)和系統(tǒng)工程[2]，自上而下全相關(guān)，把方案的總體設(shè)計(jì)參數(shù)和零部件間的相關(guān)變量或參數(shù)作為紐帶，兼容產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和專業(yè)規(guī)范，將總體方案與零部件的設(shè)計(jì)作為一個(gè)有機(jī)的整體。

1.2.1 UG NX Wave的基本步驟

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

圖3 控制結(jié)構(gòu)搭建

2）使用Wave幾何鏈接器[2]，從控制結(jié)構(gòu)中關(guān)聯(lián)復(fù)制幾何元素，零部件圍繞此幾何元素進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)從粗到細(xì)，符合人的思維習(xí)慣和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程。

1.2.2 利用UG NX Wave建立塔型井架實(shí)例展現(xiàn)

塔型井架是典型的桁架結(jié)構(gòu)，型材的中心線組成一個(gè)線框，決定著塔型井架的開(kāi)檔等主要設(shè)計(jì)參數(shù)。從圖2可以看出，塔型井架的頂部開(kāi)檔、底部開(kāi)檔、高度等決定著橫撐和斜撐的位置和長(zhǎng)度?？蚣艽罱ㄟ^(guò)程如下:1）在3個(gè)不同高度的基準(zhǔn)面上，用草繪表達(dá)頂部開(kāi)檔、收縮點(diǎn)開(kāi)檔、底部開(kāi)檔；2）根據(jù)開(kāi)檔線條，繪制塔型井架4個(gè)側(cè)基準(zhǔn)面；3）在每個(gè)側(cè)基準(zhǔn)面上，繪制橫撐斜撐中心線。

進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段后，使用Wave幾何鏈接器把中心線和4個(gè)側(cè)基準(zhǔn)面關(guān)聯(lián)復(fù)制到相應(yīng)部件。為了后續(xù)處理型鋼結(jié)點(diǎn)方便，把井架以收縮點(diǎn)為界，分為上下部件。當(dāng)然也可以每個(gè)桿件為一個(gè)部件，但這樣會(huì)使得結(jié)點(diǎn)難以處理。部件組織關(guān)系如圖4所示。上部鏈接了中心線和基準(zhǔn)面后，就可以基于這些主要信息進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖4 部件組織關(guān)系圖

2 基于UDF建立型材庫(kù),實(shí)現(xiàn)型材參數(shù)化

2.1 常用建庫(kù)方法的缺點(diǎn)

塔型井架是桁架結(jié)構(gòu)，大量使用了H型鋼、槽鋼、角鋼等型材。假如每個(gè)桿件都繪制截面掃描的話，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，型材庫(kù)的建立對(duì)于塔型井架的參數(shù)化具有重要的意義。對(duì)于型材，常通過(guò)部件族建庫(kù)和利用管道模塊提供的功能建庫(kù)。

2.1.1 部件族建庫(kù)的缺點(diǎn)

部件族表是先建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，然后建立族表，族表（如圖5）的每一列對(duì)應(yīng)模型的一個(gè)主要參數(shù)，族表的每一行是不同的參數(shù)值。族表調(diào)用時(shí)可以選擇參數(shù)，然后通過(guò)裝配約束進(jìn)行定位。調(diào)用部件族本質(zhì)上仍然是裝配，只適用于自底向上設(shè)計(jì)。族表方式建立的型材庫(kù)裝配繁瑣，且型材間處理結(jié)點(diǎn)不便。

圖5 部件族表式工字鋼庫(kù)

2.1.2 管道模塊建庫(kù)的缺點(diǎn)

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

1)需要具有管道模塊許可證，提高了企業(yè)成本。建模時(shí)經(jīng)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(duì)于不與工作坐標(biāo)系正交的桿件，定位比較麻煩。

3) 修改參數(shù)不便。要改變型材的參數(shù)，只能先在庫(kù)里建好改變參數(shù)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(shí)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(kù)的優(yōu)點(diǎn)

UDF建立的型材庫(kù)調(diào)用界面如圖6 所示，其界面友好，優(yōu)點(diǎn)如下：

圖6 工字鋼UDF庫(kù)調(diào)用

1）可以方便地修改型材的參數(shù)。不需要把型材規(guī)格預(yù)先定義一個(gè)表格。

2）支持錨點(diǎn)和相對(duì)錨點(diǎn)的偏移。通過(guò)改變intx和inty的值，可以使型材的邊緣等錨點(diǎn)通過(guò)掃描線，通過(guò)改 變xoffset 和yoffset 值 可以控制相對(duì)錨點(diǎn)的偏移。

3）定位方便。具有兩個(gè)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(zhǔn)面，決定了型材的初始角度。可以在輸入框里改變相對(duì)參考基準(zhǔn)面的角度。無(wú)論與工作坐標(biāo)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(jié)約時(shí)間，且不需購(gòu)買管道模塊，降低了企業(yè)成本。

5）建庫(kù)步驟簡(jiǎn)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(gè)步驟。3 成果及展望。

賦予型材后，經(jīng)過(guò)處理結(jié)點(diǎn)、建立耳板等后續(xù)操作，最終模型如圖9所示。通過(guò)搭建控制結(jié)構(gòu)和Wave技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井架的自頂向下設(shè)計(jì)[3]，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品級(jí)別的參數(shù)化；通過(guò)UDF技術(shù)，建立了參數(shù)化的型材庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了零件級(jí)參數(shù)化。相同結(jié)構(gòu)的塔型井架可以參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，提高了設(shè)計(jì)效率，減少了設(shè)計(jì)者的重復(fù)性勞動(dòng)。

圖8 建立UDF庫(kù)

圖9 井架最終模型圖