副標題#e#    引言
    
    依據不同油田的油井、不同的開發和開采工藝、以及油井的不同工作狀態，需要在井中下放不同的井下工具進行操作，因而井下工具的設計與試驗一直是油田開發中的一個重要技術間題。運用仿真技術對井下工具工作過程進行動態模擬，不僅可以觀察工具在井下的整個工作過程，而且還可以在虛擬環境下修改結構和進行性能分析，既縮短井下工具的開發周期，又降低開發成本。尤其是三維仿真軟件的應用與普及，使三維設計具有形象、直觀、精確、快速的特點，在產品開發的方案設計、結構分析、產品性能的評估、確定和優化物理樣機參數的過程中能夠起到決定性作用。筆者借助SolidWorks軟件無縫集成的機構運動仿真軟件COSM05Motion，對ZDM型鉆具倒扣撈矛進行運動仿真實例分析，展示了現代動態設計工具軟件在石油機械設計中的應用方法，將井下工具設計、裝配、樣機運轉、性能測試和設計改進完全在虛擬環境中進行，為井下工具的研制提供了嶄新的設計方法。
   
    COSMOSMotion的特點
   
    COSMOSMotion是SolidWorks的CAE應用插件，是廣大用戶實現數字化功能樣機的優秀工具，是一個全功能運動仿真軟件。它可以建立復雜機構運動模型，得到系統中各零部件的運動情況(包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等)，并以動畫、圖形和表格等多種形式輸出結果，還可將零部件在復雜運動情況下的復雜載荷情況直接輸出到主流有限元分析軟件中，從而進行正確的強度和結構分析。它具有如下功能:
   
    (1)支持多種約束，包括轉動副、移動副、圓柱副、球面副、萬向副、螺旋副、平面副和固定約束。還支持共點、共線、共面、平動、平行軸、垂直等虛約束。可分別按位移、速度或加速度添加各種運動，包括恒定值、步進、諧波、樣條線和函數等運動。
   
    (2)可以模擬系統各種受力情況，包括拉壓彈簧和扭轉彈簧、拉壓阻尼和扭轉阻尼、作用力、作用力矩、反作用力、反作用力矩和碰撞力等。還具有獨特而實用的接觸(點線接觸、線線接觸)和藕合定義功能。
   
    (3)可以將結果輸出為通用的AVI格式動畫，也可以輸出到Excel表格中，以表格或圖形的形式顯示數據，還可以輸出為Text文件。另外還有功能強大、內容豐富的各種XY圖形輸出。
   
    ZDM型鉆具倒扣撈矛的結構和工作原理
   
    ZDM型鉆具倒扣撈矛由矛體、脹心軸和脹扣套組成(見圖1)。矛體上部為反(正)扣鉆桿接頭螺紋，矛體與脹心軸由螺紋聯接，脹扣套裝配在脹心軸的外錐體上，脹心軸下部有引導錐，便于脹套與落魚接頭螺紋對扣，另外服扣套在上提拉力作用下，可牢牢地抓住落魚。若上部鉆具為正扣，則工具上部也應為正扣。

    
    落魚魚頂應有與倒扣撈矛下部螺紋相配合的完整內螺紋。在倒扣撈矛打撈作業時，ZBM型鉆具倒扣撈矛山反扣鉆桿沿著井璧慢慢送入井下。當引錐插人落魚水眼之后，正轉5-6轉，使脹扣套與落魚上部接頭螺紋旋合。上提倒扣撈矛，脹扣套被脹心軸撐大，緊緊地與落魚接頭螺紋配合。上提拉力需大于倒扣撈矛本身的重力與落魚重力之和。
   
    ZDM型鉆具倒扣撈矛虛擬樣機打撈仿真實例
   
    1.打撈過程仿真步驟
   
    對ZDM型鉆具倒扣撈矛虛擬樣機進行運動仿真的基本步驟如圖2所示。

    
    2.打撈過程仿真模型與試驗
   
    要對ZDM型鉆具倒扣撈矛進行仿真，首先要建立它的裝配模型。用SolidWorks軟件建立三維裝配體模型的方法有2種：①先建立零件，然后使用配合技術對各構成零件進行組裝，建立裝配體，即自底向上的裝配體建模技術;②直接在裝配體模型中根據零件特征和尺寸關聯建立起各個構成零件，即自頂向下的建模技術。這里采用前一種方法，即利用SolidWorks提供的智能配合技術先建立ZDM型鉆具倒扣撈矛裝配休模型，然后再完成整個模型的裝配。
   
    如圖3所示，該裝配體模型主要由倒扣撈矛、井壁、落魚和井底4部分組成。倒扣撈矛設計總長為570mm，最大外徑為121mm。設計帶內螺紋的圓筒來模擬落魚。經分析，井下壓力和溫度對該仿真系統影響很小，可忽略。

    
    建好三維模型后，在裝配模塊下直接進人仿真環境。在進行仿真之前，應先進行與仿真相關的基本參數設置，如力的單位、時間單位，重力加速度大小，以及與動h1有關的幀時間間隔及幀數等。在本例的仿真中，設置力的單位是N，時間的單位是s，長度的單位是mm，仿真幀數為700(根據仿真精度要求可以適當調節時間間隔和幀數)。利用COSMOSMotion的智能運動構建器設置井壁和井底為靜止零部件，落魚和ZDM型鉆具倒扣撈矛為運動零部件。靜止零部件和運動零部件確立后，就可以設置零部件之間的運動關系，從而限制零部件的某些運動自由度，使其完成期望的運動。考慮倒扣撈矛上下往復運動，添加運動驅動，速度函數為IF(TIME-3:340,0,0)+IF(TIME-4:0,0，-340)。設置脹扣套旋轉副為主運動，速度函數為STEP(TIME,2,OD,3，(STEP(TIME,3,-720D,4.1，(STEP(TIME,4.1,OD,6,OD)))))。考慮到脹扣套和落魚為螺紋連接，設置它們之間為碰撞約束。為了真實模擬打撈過程，對系統中所有零部件都賦予了材料和質量，落魚的質量可以根據試驗要求自定義設置。所有內容設置完畢后就可以進行打撈過程仿真。對落魚質量為10,12,13,15t4種打撈工況進行仿真試驗。當落魚質量為10,12t時，打撈成功;當落魚質量為13,15t時，脹扣套螺紋失效，打撈失敗。成功的打撈仿真結果如圖4所示，落魚被ZDM型鉆具倒扣撈矛從井底打撈出來。