基于UG的三牙輪鉆頭參數化設計及仿真鉆進

吳澤兵，郭禹倫，席凱凱，王杰

基于UG的三牙輪鉆頭參數化設計及仿真鉆進

吳澤兵，郭禹倫，席凱凱，王杰

（西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710000）

以UG軟件為設計平臺，運用知識融合技術等手段，分別建立牙輪鉆頭的牙輪體、牙齒參數化模型，并且進行牙輪齒槽造型，使用合理約束將牙輪與牙齒、牙輪與牙輪之間進行裝配，然后在UG運動仿真模塊中，對三牙輪鉆頭設置載荷約束與邊界條件，確定初始條件，模擬牙輪鉆頭在井底鉆進運動，并開發仿真鉆進插件，得到三牙輪鉆頭在鉆進過程中的井底齒坑模型，為鉆頭幾何設計提供豐富有用的參考信息。

知識融合；牙輪牙齒；參數化設計；二次開發；運動仿真

三牙輪鉆頭結構復雜，設計參數眾多，計算公式復雜。為此，國內多位學者對三牙輪鉆頭CAD系統進行了深入研究，主要方法是使用GRIP語言編程，調用api程序集經編譯生成動態鏈接庫（*.dll）文件，提供用戶菜單調用。用戶界面與執行程序使用UIstyler單獨編寫。系統通過交互界面和接口讀入牙輪鉆頭設計參數，運行事先編寫程序繪制鉆頭二維圖形、三維模型[1]。該方法存在一些不足之處，如牙輪參數化造型方面，每次修改設計意圖需重新編輯數據文件，通過數據接口讀入UG系統，執行相關程序才可完成建模，調用api對象還需使用其他軟件進行編譯、調用[2]，因此設計效率很低。本文試圖使用更加簡易的語言即知識融合語言，僅僅編寫腳本文件的方式完成鉆頭設計程序編寫，不使用第三方編譯軟件，建立牙輪鉆頭全部模型。

三牙輪鉆頭的運動形式是繞鉆頭軸線轉動和向下移動，牙輪的運動形式則是繞牙輪軸線相對轉動。牙輪鉆頭運動學的研究內容為鉆頭鉆進過程中，各個部分的特別是牙齒的運動軌跡、速度、加速度。鉆頭鉆進過程復雜，除了上述運動外，還包括牙齒在井底的滑動及鉆頭縱向振動[3]。本文在二維平面獲取牙齒的井底軌跡曲線并生成理想井底模型，追蹤牙齒運動軌跡生成一組牙齒不同時刻的副本模型并與井底做布爾運算，嘗試得到三牙輪鉆頭復雜運動中井底模型，從而為鉆頭優化設計提供直觀的參考。

1 關鍵技術及其應用

1.1 KF技術

知識融合（Knowledge Fusion，KF）技術是基于特征的參數化建模技術和KBE知識工程（Knowledge-based Engineering）技術上發展起來的，能夠有效地將設計知識、專家經驗、工程標準等與CAD技術模型進行融合，并進行解析和推理，能夠訪問數據庫、電子表格等外部數據源，并能夠與其他NX二次開發工具如（NXopen、UIstyler等）進行集成，功能強大[4-6]。

1.2 UG二次開發技術

C++語言支持多種程序設計風格，但其本身很復雜、編寫難度大，而KF語言簡單易懂，無需編譯、鏈接，只需修改腳本文件重新加載即可[7-8]。在系統開發中，應用程序由DFA文本文件、UIstyler用戶界面文件、bmp資源文件、MenuScript菜單文件及其他幫助文件組成[9]，如圖1所示。

圖1 KF開發結構圖

2 牙輪鉆頭設計系統二次開發

完成設計的下拉菜單如圖2所示，建立對話框頁面如圖3所示。

圖2 設計界面圖

編寫.dfa程序文件的步驟如下：

（1）定義牙輪體基本結構參數：底面圓直徑、最大外徑、主副錐交點與底面距離，主錐長、副錐長、主錐角、副錐角、背錐角。以牙輪體底面圓心為建模起點引用已經定義的參數表示各點、、坐標，從起始點畫出若干條直線收尾相連形成牙輪體輪廓，旋轉可得三維模型。圖4為牙輪體二維輪廓截面圖和牙輪三維模型圖[10-12]。

圖3 設計參數對話框圖

圖4 牙輪模型

（2）編輯孔深、直徑，以及孔定位參數（距離牙輪旋轉軸距離、距離牙輪底距離），使用環形陣列將齒孔沿圓周分布，選取陣列的“孔特征”，指定旋轉軸、參考點以及間距、數量、節距角，陣列方法選擇“變化”。另依據三牙輪鉆頭布齒原則，本文以三號牙輪為例，設計齒圈數量為3，從下到上第一至第三齒圈分別布齒數為17、13、5進行齒孔設計。

（3）勺形、楔形、邊楔齒需在錐型齒模型基礎上使用修剪命令進行不對稱造型得到，如圖5所示[14]。

圖5 牙齒三維實體

參數化模型生成后，須實現用戶頁面修改參數實時修改模型功能，并且不會因為用戶輸入錯誤參數時，導致系統將錯誤參數存儲作為下一次打開UG時的初始值，因此需在.dfa文件結尾進行參數初始化。

3 仿真鉆進

3.1 三牙輪鉆頭運動模型創建

由于主要研究對象為牙輪牙齒運動，牙掌及鉆柱僅為設置方便粗略畫出，能夠確定三牙輪相對空間位置即可。

同時為了方便觀察鉆頭運動情況還需在鉆頭下側設置一圓柱形井底模型[15]。

3.2 模擬牙齒切削巖石過程

3.2.1 基本假設

由于三牙輪鉆頭運動的復雜性，以實驗方式獲取牙齒在井底的運動軌跡耗時耗力、可實現性差，因此在UG平臺使用運動仿真方式模擬。假設鉆頭運動過程無摩擦，也無移軸、牙齒滑動現象，鉆頭視為剛體，牙齒無磨損。此過程中假設巖石僅塑性破碎，鉆頭僅做勻速無偏心的回轉運動。

3.2.2 主要思路

采用UG布爾運算功能近似模擬鉆頭鉆進過程破碎巖石的過程。在裝配環境中將牙輪下側近巖石側壓入巖石適當深度（牙輪殼體不能接觸巖石），這是第一次布爾運算。此時鉆頭開始運動，追蹤鉆頭上各個牙齒的運動軌跡，每隔一個微小時間段確定一次所有牙齒的位置，此時牙齒與巖石進行第二次布爾運算。如此經過一定時間便可以得到井底齒坑圖。

由于布爾計算次數多、操作繁瑣，因此使用C++語言二次開發該插件。仿真鉆進的操作界面如圖6所示，首先導入牙輪鉆頭模型，輸入計算次數，選擇三個牙輪上各兩個圓弧來確定牙輪自轉軸線，然后選取井底圓弧以確定鉆頭公轉軸線[16]。由于單個牙齒從吃入巖石到形成齒坑離開直到下一顆齒吃入巖石時間很短，這就意味兩次布爾運算時間間隔足夠短才能準確捕捉到牙齒破碎巖石的過程，因此確定鉆進的初始參數為：鉆深4 mm，鉆頭轉角3°，牙輪轉角5.4°，切削步長0.01 s。

3.2.3 獲取井底圖

獲取井底赤坑圖如圖7所示，圖中點塊狀坑即為牙齒破碎坑，齒坑形狀基本符合預期。由圖7（c）為可知：在井底徑向上齒圈布置總體覆蓋性好，其中三號牙輪（最上方牙輪）三、四排齒由于齒圈位置原因導致破碎坑有部分重疊，在鉆頭優化設計中應適當上調第三圈齒位置；就齒坑深度而言，一號牙輪（左下角）和二號牙輪（順時針方向一號牙輪后）齒坑明顯比三號牙輪（右下角）深，尤其是三號牙輪第二圈齒齒坑很淺，鉆頭優化設計時需增加三牙輪第二圈齒露出高度以增大吃入量，從而保證牙齒磨損均勻。

圖6 仿真鉆進操作界面

4 結論

（1）本文運用知識融合技術與UG二次開發進行牙輪鉆頭的設計，用UI界面設計與腳本文件整合至.dfa文件一次完成，兼容性好。將牙輪體二維截面造型與齒槽借助布爾功能分開設計。同時在齒孔設計時改變傳統導入外部數據電子表格的方式，使用陣列功能將齒孔特征進行陣列，快速完成參數化布齒。

（2）提出了一種快速繪制對應鉆頭齒坑圖的方法，可以通過齒坑分布、齒坑深淺、形狀等直觀反應三牙輪鉆頭各齒圈分布情況，以及不同齒圈牙齒吃入井底角度、吃入深度等信息便于指導鉆頭優化設計。

（3）采用編程語言開發該仿真鉆進插件，可以實現快速導入模型，齒坑模型的快速獲取，有利于縮短三牙輪鉆頭的布齒優化設計時間和開發周期。

圖7 井底赤坑圖

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Parametric Design and Motion Simulation Analysis of Three Cone Bit Based on UG

WU Zebing，GUO Yulun，XI Kaikai，WANG Jie

(College of mechanical engineering, Xi'an Petroleum University, Xi'an 710000, China)

In this paper, using UG software as design platform and KF knowledge fusion technology, the parameterized models of the cone body and teeth of the cone bit are established respectively, and the tooth groove of the cone bit is modeled, then, in the Ug motion simulation module, the load constraints and boundary conditions are set on the three-cone bit, and the initial conditions are determined, by simulating the motion of cone bit in the bottom hole and developing the simulation plug-in, the model of the bottom hole tooth pit of the three cone bit is obtained.

knowledge fusion；teeth of the wheel；parametric design；second development；motion simulation

TE921

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.009

1006-0316 (2022) 03-0053-05

2021-07-16

陜西省重點研發計劃項目：針對陜西頁巖氣地層的混合鉆頭破巖機理研究及性能評估方法（2018KW-12）

吳澤兵（1967－），男，湖北公安人，博士，教授，主要研究方向為石油鉆頭智能CAD/CAE/CAM、智能鉆機、鉆井優化與自動化等，E-mail：zbwu@xsyu.edu.cn。