泥浆动力可控偏心器导向机构运动仿真应用研究

摘要：在分析泥浆动力可控偏心器组成原理的基础上，借助于虚拟样机技术理论的指导，运用Solidworks实体设计软件完成了该机的三维建模、虚拟装配。通过Para-solid传输标准将Solidworks环境下的导向机构装配体模型文件导入ADAMS中，实现了泥浆动力可控偏心器导向机构的运动学和动力学仿真分析，仿真结果数据对下一步的研究具有一定的参考和指导作用。

关键词：泥浆动力可控偏心器;Solidworks;ADAMS;虚拟样机;仿真分析

1.虚拟样机技术

虚拟样机技术就是不必建造物理样机，，设计师直接利用计算机技术建立产品整机的数字模型，通过仿真分析并以图形显示该模型在真实工程条件下的运动特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。虚拟样机技术是一门综合学科的技术，该技术以CAD和仿真技术为核心，加以三维计算机图形技术和用户界面技术，将传统松散关系的零部件设计和分析（例如零件CAD和有限元分析）集成在一起，提供一个全系统研究产品性能的方法。在整个设计过程中都可反馈信息，指导设计，迅速获得产品最优解[1]。

将虚拟样机技术用于石油装备的设计是对传统的石油机械设计方法的一次创新。

2.机构模型建立

2.1 机构介绍

可控偏心器是结合了电子技术、信息技术、机械液压、控制理论于一体高科技智能导向工具。从系统仿真建模的角度，泥浆动力可控偏心器样机在结构上主要有机械、液压和电路三部分组成，即机械系统、液压系统及控制系统[2]，具体如图1所示。

2.2机构建模

首先根据市场和客户需要，确定可控偏心器总体参数和各项性能指标，再根据专家系统初步确定可控偏心器总体设计方案。可控偏心器三维特征建模在Solidworks中实现，利用Solidworks生成参数化的零件实体，装配成可控偏心器的运动部件，进行干涉检查;ADAMS中提供了与Solid-works的数据接口，可以将Solidworks中的三维模型导入到ADAMS中，定义刚体、运动副、载荷以及其他仿真参数的设定，产生参数的可控偏心器机构模型，并进行运动学和动力学仿真，最后对仿真结果进行分析评价，如不满意，则对该设计方案进行结构的优化，得到新的设计方案，开始新一轮的建模仿真分析，如果满意，则确定为最终设计方案[3]。完成后的泥浆动力可控偏心器导向机构三维模型如图2所示。

3.机构运动仿真

3.1模型导入ADAMS

在Solidworks实体设计中完成泥浆动力可控偏心器导向机构建模之后，利用ADAMS/Exchange模块将Solidworks环境下的导向机构三维模型以Parasolid传输标准导入ADAMS中。将Solidworks模型导入ADAMS后，模型中原有的装配关系都已无效，只是提供了各构件的初始位置，其实各构件之间只是毫无关系地独立存在于ADAMS中，并不是具有现实意义的虚拟样机。这时所要做的工作就是在ADAMS/View下将零部件“装配”成整体，并对各构件的名称、材料等基本信息进行设定[4]。

3.2模型检验

样机模型建成以后，可以用模型检验工具来检查错误，如模型运动副对齐不准和零件约束不当等，还可以用对象测量和交互式仿真分析对模型进行检验，仿真分析前进行装配分析也有助于纠正错误的约束。检验建好的可控偏心器样机模型，检验结果：样机模型总共包括3个旋转运动副、7个移动副、10个固定副、3个驱动，整个模型有6个自由度。模型没有多余约束，检验正确。

3.3仿真结果

通过ADAMS/Poetprocessor模块对仿真结果进行测量分析处理，得到活塞杆位移、活塞杆速度幅值、翼肋在Y方向的加速度和翼肋在Y方向的角加速度等曲线图，具体如图3-6所示。

4.结束语

通过对可控偏心器导向部分的动力学分析，得到活塞杆和翼肋的运动状态，为导向钻具整体的改进设计提供了可靠的理论依据。结果表明，利用虚拟样机技术研究泥浆动力可控偏心器导向部分的运动切实可行，为泥浆动力可控偏心器的设计和改进提供了一定的理论依据，有助于缩短产品设计周期，降低产品开发成本，提高产品快速响应市场变化的能力。

参考文献：

[1]刘宏增.虚拟设计[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2]姚子海 周静 付鑫生.泥浆动力可控偏心器控制器研究[D].2004年硕士毕业论文.

[3]王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实现[M].西安：西北工业大学出版社，2002.

[4]陈立平，张清平等.机械系统动力学分析及ADAMS應用教程[M].北京：清华大学出版社.2005.

作者简介：李小燕（1980- ），女，宁夏吴忠人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：机电产品设计及自动化控制的教学与研究工作。