泥漿動力可控偏心器導向機構運動仿真應用研究

摘要：在分析泥漿動力可控偏心器組成原理的基礎上，借助于虛擬樣機技術理論的指導，運用Solidworks實體設計軟件完成了該機的三維建模、虛擬裝配。通過Para-solid傳輸標準將Solidworks環境下的導向機構裝配體模型文件導入ADAMS中，實現了泥漿動力可控偏心器導向機構的運動學和動力學仿真分析，仿真結果數據對下一步的研究具有一定的參考和指導作用。

關鍵詞：泥漿動力可控偏心器;Solidworks;ADAMS;虛擬樣機;仿真分析

1.虛擬樣機技術

虛擬樣機技術就是不必建造物理樣機，，設計師直接利用計算機技術建立產品整機的數字模型，通過仿真分析并以圖形顯示該模型在真實工程條件下的運動特性，從而修改并得到最優設計方案的技術。虛擬樣機技術是一門綜合學科的技術，該技術以CAD和仿真技術為核心，加以三維計算機圖形技術和用戶界面技術，將傳統松散關系的零部件設計和分析（例如零件CAD和有限元分析）集成在一起，提供一個全系統研究產品性能的方法。在整個設計過程中都可反饋信息，指導設計，迅速獲得產品最優解[1]。

將虛擬樣機技術用于石油裝備的設計是對傳統的石油機械設計方法的一次創新。

2.機構模型建立

2.1 機構介紹

可控偏心器是結合了電子技術、信息技術、機械液壓、控制理論于一體高科技智能導向工具。從系統仿真建模的角度，泥漿動力可控偏心器樣機在結構上主要有機械、液壓和電路三部分組成，即機械系統、液壓系統及控制系統[2]，具體如圖1所示。

2.2機構建模

首先根據市場和客戶需要，確定可控偏心器總體參數和各項性能指標，再根據專家系統初步確定可控偏心器總體設計方案?？煽仄钠魅S特征建模在Solidworks中實現，利用Solidworks生成參數化的零件實體，裝配成可控偏心器的運動部件，進行干涉檢查;ADAMS中提供了與Solid-works的數據接口，可以將Solidworks中的三維模型導入到ADAMS中，定義剛體、運動副、載荷以及其他仿真參數的設定，產生參數的可控偏心器機構模型，并進行運動學和動力學仿真，最后對仿真結果進行分析評價，如不滿意，則對該設計方案進行結構的優化，得到新的設計方案，開始新一輪的建模仿真分析，如果滿意，則確定為最終設計方案[3]。完成后的泥漿動力可控偏心器導向機構三維模型如圖2所示。

3.機構運動仿真

3.1模型導入ADAMS

在Solidworks實體設計中完成泥漿動力可控偏心器導向機構建模之后，利用ADAMS/Exchange模塊將Solidworks環境下的導向機構三維模型以Parasolid傳輸標準導入ADAMS中。將Solidworks模型導入ADAMS后，模型中原有的裝配關系都已無效，只是提供了各構件的初始位置，其實各構件之間只是毫無關系地獨立存在于ADAMS中，并不是具有現實意義的虛擬樣機。這時所要做的工作就是在ADAMS/View下將零部件“裝配”成整體，并對各構件的名稱、材料等基本信息進行設定[4]。

3.2模型檢驗

樣機模型建成以后，可以用模型檢驗工具來檢查錯誤，如模型運動副對齊不準和零件約束不當等，還可以用對象測量和交互式仿真分析對模型進行檢驗，仿真分析前進行裝配分析也有助于糾正錯誤的約束。檢驗建好的可控偏心器樣機模型，檢驗結果：樣機模型總共包括3個旋轉運動副、7個移動副、10個固定副、3個驅動，整個模型有6個自由度。模型沒有多余約束，檢驗正確。

3.3仿真結果

通過ADAMS/Poetprocessor模塊對仿真結果進行測量分析處理，得到活塞桿位移、活塞桿速度幅值、翼肋在Y方向的加速度和翼肋在Y方向的角加速度等曲線圖，具體如圖3-6所示。

4.結束語

通過對可控偏心器導向部分的動力學分析，得到活塞桿和翼肋的運動狀態，為導向鉆具整體的改進設計提供了可靠的理論依據。結果表明，利用虛擬樣機技術研究泥漿動力可控偏心器導向部分的運動切實可行，為泥漿動力可控偏心器的設計和改進提供了一定的理論依據，有助于縮短產品設計周期，降低產品開發成本，提高產品快速響應市場變化的能力。

參考文獻：

[1]劉宏增.虛擬設計[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2]姚子海 周靜 付鑫生.泥漿動力可控偏心器控制器研究[D].2004年碩士畢業論文.

[3]王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實現[M].西安：西北工業大學出版社，2002.

[4]陳立平，張清平等.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社.2005.

作者簡介：李小燕（1980- ），女，寧夏吳忠人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：機電產品設計及自動化控制的教學與研究工作。