周小峰，雷振軍,2，王東,2，黃許澎,2

（1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

塔型井架是一種常見的井架形式。海洋平臺鉆機模塊中的井架基本上都采用塔式結(jié)構(gòu)。其具有受力穩(wěn)定性好、操作空間大等優(yōu)點。近年來，隨著陸上油氣資源的不斷減少，海洋石油資源的勘探和開發(fā)逐漸成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點，塔型井架在海洋油氣勘探開發(fā)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

塔型井架具有典型的空間桁架結(jié)構(gòu)（如圖1）。主要由各種型材和連接板通過螺栓連接而成?？蛻粲嗀洉r，由于平臺上各設(shè)備參數(shù)不確定，造成井架高度、頂部開檔、底部開檔等主要參數(shù)反復(fù)更改。用常規(guī)AutoCAD二維設(shè)計，由于不支持尺寸驅(qū)動，經(jīng)常出現(xiàn)變動幾個參數(shù)就導(dǎo)致整個井架需要重新設(shè)計的狀況。設(shè)計中，也經(jīng)常需要根據(jù)受力狀況更改型材規(guī)格。因此需要運用參數(shù)化減少設(shè)計中的重復(fù)工作。

圖1 塔型井架現(xiàn)場

UG NX軟件是集CAD/CAM/CAE 于一體的軟件成系統(tǒng)[1]，可為用戶提供功能強大的參數(shù)化設(shè)計功能。其中Wave技術(shù)在自頂向下設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。UG NX功能強大，是四大主流三維參數(shù)化設(shè)計工具之一，能夠滿足參數(shù)化設(shè)計的需要。

1 基于Wave，通過控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品布局參數(shù)化

1.1 自底向上的裝配的缺點

利用UG NX軟件，基于二維繪制圖樣，建立每個立柱、斜撐等實體模型的自底向上的裝配方案，若遇見了以下問題，將導(dǎo)致參數(shù)化無法進行。

1)相關(guān)尺寸不能一次性修改。塔型井架的橫梁和斜撐長度由開檔和高度決定。如圖2所示，當(dāng)修改x1、x2、h1時，對應(yīng)的橫梁、斜撐等尺寸發(fā)生改變。采用自底向上方案，要逐一修改每個橫梁、斜撐尺寸，需通過CAD等二維圖進行每個尺寸放樣，失去了使用NX軟件的意義。

圖2 塔型井架主要參數(shù)

2）部件太多，施加的裝配約束太多，且各約束間沒有主次先后之分，約束的管理和修改都很麻煩，修改后經(jīng)常發(fā)生錯位等錯誤。

3)從AutoCAD根據(jù)幾何原理放樣出來的圖樣，考慮到加工精度要求，經(jīng)常要進行圓整, 會和理論值產(chǎn)生誤差。這會經(jīng)常導(dǎo)致裝配發(fā)生錯誤，例如本應(yīng)嚴格對齊的兩個面經(jīng)常會有角度或者距離誤差。

1.2 UG NX Wave技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化

自底向上沒有從總體的角度考慮問題，各個部件各自獨立，自然很難組成一個有機的整體。UG NX Wave技術(shù)就是為解決這個問題而產(chǎn)生的，它融合了參數(shù)化造型技術(shù)和系統(tǒng)工程[2]，自上而下全相關(guān)，把方案的總體設(shè)計參數(shù)和零部件間的相關(guān)變量或參數(shù)作為紐帶，兼容產(chǎn)品設(shè)計準則和專業(yè)規(guī)范，將總體方案與零部件的設(shè)計作為一個有機的整體。

1.2.1 UG NX Wave的基本步驟

1）分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，理清全局變量和局部變量，搭建產(chǎn)品的控制結(jié)構(gòu)（如圖3）。使用草繪、基準面等建模手段，表達產(chǎn)品的總體參數(shù)、零部件布置與定位信息等。

圖3 控制結(jié)構(gòu)搭建

2）使用Wave幾何鏈接器[2]，從控制結(jié)構(gòu)中關(guān)聯(lián)復(fù)制幾何元素，零部件圍繞此幾何元素進行詳細設(shè)計。產(chǎn)品設(shè)計從粗到細，符合人的思維習(xí)慣和產(chǎn)品設(shè)計的流程。

1.2.2 利用UG NX Wave建立塔型井架實例展現(xiàn)

塔型井架是典型的桁架結(jié)構(gòu)，型材的中心線組成一個線框，決定著塔型井架的開檔等主要設(shè)計參數(shù)。從圖2可以看出，塔型井架的頂部開檔、底部開檔、高度等決定著橫撐和斜撐的位置和長度?？蚣艽罱ㄟ^程如下:1）在3個不同高度的基準面上，用草繪表達頂部開檔、收縮點開檔、底部開檔；2）根據(jù)開檔線條，繪制塔型井架4個側(cè)基準面；3）在每個側(cè)基準面上，繪制橫撐斜撐中心線。

進入詳細設(shè)計階段后，使用Wave幾何鏈接器把中心線和4個側(cè)基準面關(guān)聯(lián)復(fù)制到相應(yīng)部件。為了后續(xù)處理型鋼結(jié)點方便，把井架以收縮點為界，分為上下部件。當(dāng)然也可以每個桿件為一個部件，但這樣會使得結(jié)點難以處理。部件組織關(guān)系如圖4所示。上部鏈接了中心線和基準面后，就可以基于這些主要信息進行詳細設(shè)計。

圖4 部件組織關(guān)系圖

2 基于UDF建立型材庫,實現(xiàn)型材參數(shù)化

2.1 常用建庫方法的缺點

塔型井架是桁架結(jié)構(gòu)，大量使用了H型鋼、槽鋼、角鋼等型材。假如每個桿件都繪制截面掃描的話，費時費力。因此，型材庫的建立對于塔型井架的參數(shù)化具有重要的意義。對于型材，常通過部件族建庫和利用管道模塊提供的功能建庫。

2.1.1 部件族建庫的缺點

部件族表是先建立一個標準模型，然后建立族表，族表（如圖5）的每一列對應(yīng)模型的一個主要參數(shù)，族表的每一行是不同的參數(shù)值。族表調(diào)用時可以選擇參數(shù)，然后通過裝配約束進行定位。調(diào)用部件族本質(zhì)上仍然是裝配，只適用于自底向上設(shè)計。族表方式建立的型材庫裝配繁瑣，且型材間處理結(jié)點不便。

圖5 部件族表式工字鋼庫

2.1.2 管道模塊建庫的缺點

管道模塊建庫是一種自頂向下式建庫方式，可以依托中心線生成型鋼。但它有以下幾個缺點:

1)需要具有管道模塊許可證，提高了企業(yè)成本。建模時經(jīng)常要在管道模塊和建模模塊之間切換，比較繁瑣。

2)型材的定位不夠方便，對于不與工作坐標系正交的桿件，定位比較麻煩。

3) 修改參數(shù)不便。要改變型材的參數(shù)，只能先在庫里建好改變參數(shù)化后的型材，然后使用替換的方式，比較麻煩。

4)掃描線和型材中心線有時需要偏置，管道模塊建的型材很難修改偏置距離。

2.2 UDF建立的型材庫的優(yōu)點

UDF建立的型材庫調(diào)用界面如圖6 所示，其界面友好，優(yōu)點如下：

圖6 工字鋼UDF庫調(diào)用

1）可以方便地修改型材的參數(shù)。不需要把型材規(guī)格預(yù)先定義一個表格。

2）支持錨點和相對錨點的偏移。通過改變intx和inty的值，可以使型材的邊緣等錨點通過掃描線，通過改 變xoffset 和yoffset 值 可以控制相對錨點的偏移。

3）定位方便。具有兩個參考，參考1為掃描線，決定型材位置，參考2可以選擇與型材某表面平行的基準面，決定了型材的初始角度?？梢栽谳斎肟蚶锔淖兿鄬⒖蓟鶞拭娴慕嵌取o論與工作坐標系是否正交，都可以方便地定位型材。圖7中的工字鋼上表面就是傾斜的。比管道模塊型材定位方式方便很多。

圖7 斜面上的工字鋼

4）全部操作都在建模模塊完成，可減少切換模塊的麻煩，節(jié)約時間，且不需購買管道模塊，降低了企業(yè)成本。

5）建庫步驟簡單。主要有繪制模型文件、模型約束、型材定位及用戶定義特征4個步驟。3 成果及展望。

賦予型材后，經(jīng)過處理結(jié)點、建立耳板等后續(xù)操作，最終模型如圖9所示。通過搭建控制結(jié)構(gòu)和Wave技術(shù)，實現(xiàn)了井架的自頂向下設(shè)計[3]，實現(xiàn)了產(chǎn)品級別的參數(shù)化；通過UDF技術(shù)，建立了參數(shù)化的型材庫，實現(xiàn)了零件級參數(shù)化。相同結(jié)構(gòu)的塔型井架可以參數(shù)化驅(qū)動，提高了設(shè)計效率，減少了設(shè)計者的重復(fù)性勞動。

圖8 建立UDF庫

圖9 井架最終模型圖