PDC钻头CAD系统研究与开发_鲁桂荣

收稿日期:2007-11-12

作者简介:鲁桂荣(1982-),女,湖南常德人,硕士,现主要从事钻井设备的CAD 设计及仿真分析等方面的研究,E -mail :

lg r0811@163.co m 。

文章编号:1001-3482(2008)05-0022-06

PDC 钻头CAD 系统研究与开发

鲁桂荣1,肖文生1,董维彬2,孙明光3,田京燕3

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061;2.武汉市江汉石油机械有限公司,

武汉430040;3.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017)

摘要:借助Visual C ++6.0软件和Pro /ENGIN EE R 二次开发工具Pro /TOO LKIT 开发了集参数化设计、自动装配和数据管理于一体的PDC 钻头CAD 系统。介绍了面向对象———PDC 钻头CAD 系统的总体技术,给出了其体系结构,建模、装配、数据管理等子系统的构成和功能,分析了PDC 钻头参数化和智能布齿设计的关键技术及解决方案。该系统将有助于改变国内钻头产品的

设计研制思路,缩短开发周期,提高国内钻头产品的设计水平。关键词:Pro /ENGINEER ;PDC 钻头;参数化设计;布齿设计;CAD

中图分类号:

T E921.102 文献标识码:A Study and Development of PDC Bit C AD S ystem

LU Gui -rong 1

,XIAO Wen -sheng 1

,DONG Wei -bin 2

,S UN M ing -g uang 3

,TIAN Jing -yan

3

(1.College o f Mechanical and E lectronic Engineering ,China University of Petroleum ,Dongy ing 257061,China ;2.Wuhan J ianghan Petroleum Machinery Co .,Ltd ,Wuhan 430040,China ;3.D ri lling T echnology Research

I nstitute ,S hengli Petroleum Ad ministration ,Dongy ing 257017,China )

A bstract :A n CAD sy stem fo r PDC Bit is developed using Visual C ++6.0and Pro /TOOLKIT ,the system is integrated with paramete r design ,autom atic assembly and data management .The structures o f PDC bit CAD sy stem are introduced .This sy stem co nsists of some subsy stem s in -cluding g eneral project desig n sy stem ,m odule desig n system ,assem bly sy stem and data manage -m ent system .The structures and functions of these subsy stems a re presented .The key tech -nique s and metho ds o f PDC bit 's parame ter desig n and intelligent too th arrangement a re dis -cussed .

Key words :Pro /ENGIN EER ;PDC Bit ;parameter desig n ;CAD 我国的PDC 钻头生产技术与国外相比有很大差距,基础设计基本上还停留在二维设计阶段,设计过程繁琐、效率低,极大地制约了国产PDC 钻头的产品质量和进一步发展[1]。参数化设计实现了驱动零件尺寸的设计修改,通过变动某些约束参数就能设计出一簇产品模型,对加快产品开发周期,提高设计效率有极大的影响。PDC 钻头属于标准化、系列

化和通用化程度较高的定型产品,可通过开发CAD 系统来实现其参数化设计[2],达到提高设计效率和产品质量的目的。

近年来,国内开始涉及计算机辅助PDC 钻头设计的研究[3-5],并开发了一些用于PDC 钻头设计的软件系统

[6]

,但系统功能大都比较简单,智能化程度

低,且不具备参数化设计功能,实用性不强。基于

　2008年第37卷 石油矿场机械

　第5期第22页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008,37(5):22～27　

此,借助Visual C ++6.0软件和Pro /ENGINEER 二次开发工具Pro /TOOLKI T 开发了PDC 钻头CAD 系统,实现了PDC 钻头的参数化设计。

1　PDC 钻头设计流程

PDC 钻头冠部轮廓曲线的设计一般采用如下过程:首先,确定钻头冠顶半径尺寸和布齿原则,得到具体的理论冠部轮廓曲线;然后,根据钻头总体结

构设计的需要,选用某一种实用冠部轮廓曲线进行曲线拟合,并给出内锥角及冠部高度等有关几何参数,即可设计出实际总体冠部轮廓曲线形状。

理论冠部轮廓曲线一般由布齿原则:等切削原则、等功率原则和等磨损原则来确定。这3种设计原则可统一为通式

h =

∫

R

R

(R /R 0)2/n

-1d R

(R >R 0)式中,h 为外锥高度;R 为钻头公称外半径;R 0为冠顶半径;n 为指数,由试验测定,与切削齿和岩石性

质有关。

为了便于设计和类比,令R 0=f 0R ,f 0为冠顶半径综合系数,根据经验或类比同型钻头确定,一般在0.2～0.8之间取值,f 0越大,所设计钻头适应的地层越硬;f 0越小,所设计钻头适应的地层越软。

实用冠部轮廓曲线主要有单圆弧、双锥、双圆弧、抛物线、圆弧抛物线、球型、平顶圆弧、平顶抛物线等类型。

以Pro /ENGINEER 为开发平台,利用其二次开发工具Pro /TOOLKIT ,结合VC ++编程,开发了PDC 钻头CA D 系统,该系统集参数化设计、自动装配和数据管理于一体,支持完整的PDC 钻头设计,设计流程如图1。

2　PDC 钻头C AD 系统体系结构

PDC 钻头CAD 系统体系结构及各子项目之间的关系如图2,由4个子系统组成。2.1　总体方案设计子系统

PDC 钻头总体方案设计是指根据钻头设计任务,确定钻头总体结构、切削齿大小、数目、布齿方式、水眼数目等[7]

。按照模块化设计思想,将PDC 钻头的概念设计转化为结构设计,结合设计任务,把PDC 钻头抽象成一组相互连接的功能模块的集合,建立功能模块之间的关系。在功能分析的基础上,确定PDC 钻头总体结构型式和所需模块的种类、数

目以及主要性能参数、结构参数值。在进行方案设

计时,考虑到以前的设计数据或模型对拓宽设计思路有一定的帮助,总体方案设计系统为用户提供了2种设计途径。

a )　参考钻头参数库中的设计数据,确定总体方案。

b )　参考钻头模型库中的参数化模型,通过对模型的修改、调整,确定总体方案。

图1　P DC 钻头设计子流程

2.2　三维造型设计子系统

该系统由参数化设计模块和数据转换接口组

成,包括PDC 钻头组成模块的三维实体造型设计以及与ANSYS 、FLUEN T 等分析软件的数据转换,主要完成刀翼、切削齿、水眼、接头及其他辅助结构的三维造型设计,并结合参数化设计思想和人机界面,实现了所有结构的智能建模,其中,刀翼设计模块支持单圆弧、双圆弧、抛物线、单锥、圆弧抛物线、双锥6种拟合方式下的刀翼实体参数化设计。该系统通过人机交互界面,为用户提供PDC 钻头各组成模块的查询、添加、删除、修改等功能,支持完整的钻头设计流程,设计过程中产生的数据将自动保存,并传递给数据管理系统,构建PDC 钻头参数库。PDC 钻头刀翼的智能建模及修改如图3。

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23·　第37卷　第5期 鲁桂荣,等:P DC 钻头CA D 系统研究与开发