2009-07-09
21世纪将是机械技术与计算机、自动化、信息与管理各方面的技术融合的时代。机械设备将与电子技术相结合，朝着计算机控制与管理方向发展。石油机械装备的研究也应建立在多学科运用上，单纯地局限在机械技术这单一的技术范围内，愈来愈满足不了需求。
为了提高我国石油装备的技术水平，满足新世纪石油天然气勘控开发的需要，必须依靠技术创新加快战略性结构调整。通过调整产品结构，继续利用国外先进技术和先进的管理，开发适销对路的新产品，提高产品在国内外市场的竞争能力。对担负重要产品制造的大中型骨干企业，要用先进的生产工艺和技术装备实施发行使这些企业的产品接近或达到国际先进水平。同时，支持产品开发和基础试验的科研设计单位，推广先进的现代设计方法，积极采用电子技术，充实科学试验和测试手段。在消化吸收引进技术的基础上不断创新，逐步形成我国自己的石油石化装备技术现代化体系，并从单机产品过渡到机组成套设备或单元成套设备，进一步提高产品可靠性。按照经济规律办事，尽快实现生产组织专业化与规模化。加强产品和制造工艺的科研开发，制造和提供适应“装置经济规模大型化、加工工艺深度化、降低能耗系统化”石化工业发展方向的装备，以促进石油化工机械制造行业的迅速成长，赶上国际先进水平。
在新产品开发中必须采用先进的技术和工具，使新产品不仅具有结构新颖、性能优越、成本低，而且要有较高的技术水平的综合工作性能，使其在国内外市场竞争中具有更强的竞争的能力。因此，在新世纪石油装备的研制中必须要高起点、高标准、高技术，才能满足世界石油天然气勘控开发对石油装备的需要。
2 计算机仿真技术
在科学研究和生产实践中，由于受客观条件的限制常常不能对所研究的对象直接进行试验。在这种情况下，可采用间接试验的方法，即建立一个与所研究的对象或过程相似的模型，通过模型间接地研究原形的规律性。这种间接试验技术就是系统仿真技术，根据模型种类，系统仿真主要分为物理仿真的数学仿真。物理仿真是根据真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验；数学仿真是根据真实系统的数学关系构造数学模型，并在数学模型上进行试验。由于数学仿真一般是在计算机上对系统的数学模型进行试验，故数学仿真就是通常所说的计算机仿真。
随着计算机技术的发展，仿真作为一种研究新产品、新技术的科学手段，一种特殊的试验技术，在航空、航天、造船、兵器等与国防科研相关的行业中首先发展起来 。经过半个多世纪的发展，到今天仿真技术已经成为以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用物理效用设备（虚拟现实技术）为工具，借助系统模型对实际或设想的系统进行动态试验研究的一门综合性技术，是一种真正的系统实验方法，广泛应用于各类系统的全生命周期活动及人员训练决策等过程中，并显示了巨大的社会效益和经济效益。目前，计算机仿真技术广泛应用于工程及非工程广大领域，已经产生或正在产生巨大的经济效益和社会效益。
计算机仿真技术在石油工业方面也已得到应用，国外成功地将计算机仿真技术用于钻井工程和油藏工作的研究；西南石油学院从20世纪90年代初开始开展计算机仿真方面的研究工作，先后购买了世界最先进的多种机械设计自动化软件，如美国PTC公司开发的用于机械产品分设计的PRO/E、用于机械系统动力学分析计算的ADMAS、用于有限元计算的ANSYS、用于大变形力学计算的MARC和用于设计分析的IDEAS和SUN、SGI计算机工作站。同时，根据石油钻井装备开发的需要，开发了多种具有自己知识产权的计算机仿真软件。应用计算机仿真技术来研究设计的牙轮钻头、振动筛等产品的总体性能达到了国际先进水平。并先后为油田完成了DQ-20Y钻修两用顶驱装置、DQ600Y动力水龙头、7NB泥浆泵、新型井口装置等产品的计算机仿真设计，为生产单位节约了大量研究经费，大大缩短了新产品研制周期、提高了产品的综合性能。取得了良好的经济和社会效益。
评论1
楼主 2009/7/9 15:01:08
西南石油学院从90年代初开始开展计算机仿真技术的研究工作，在石油装备的新产品研制中最先采用了计算机仿真技术，取得出了一些研究成果。下面举例说明。
3.1 钻井系统动力学计算机仿真分析
3.1.1建立力学模型
在钻头与岩石作用静力学模型的基础上，建立了在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性主形而引起的牙轮钻头、钻柱纵向振动模型，利用数值计算方法实现了对仿真模型的求解方法。通过编制钻头与岩石互作用及钻柱动力学仿真分析软件实现了对牙轮钻头、钻柱在不同工况下的纵向振动仿真分析计算，得到了牙轮钻头、钻柱在不同工况下的纵向振动仿真分析计算，得到了牙轮钻头、钻柱在给定条件下的动力学特征。
钻头、钻柱是钻井过程中的主要钻井工具钻柱是指从方钻杆到钻头全部井下钻具的总称。由钻杆、钻铤、扶正器、接头及其它各种附件组成。作用是起下钻头，向钻头传递破碎岩石所需要的机械能量，给井底施加钻压，向井内输送钻井液及进行其它井下作业。钻柱处在内、外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受着拉、压、弯扭及液力等荷载，其运动的动态过程十分复杂，如图1所
在钻井过程中，振动是造成钻井事故的主要原因，要弄清钻井过程中的振动规律必须建立振动模型，在此基础上对其进行仿真分析。
3.1.2 模型的求解
由于钻柱振动模型中的激振位移来自钻头与岩石互作用产生的位移X（t通过编制仿真软件就可以实现对不同钻井条件、钻井参数、钻具组合情况下钻井系统的运动学、动力学仿真分析研究，为进一步研制新型外井装备及工具提供了理论依据和方法。
3.2.1DQ600Y型顶驱三维实体模型的建立
为了能对该顶驱的各个零部件进行有限元分析，必须首先建立分析对象的三维实体模型。该动力水龙头的主要零部件有中心轴、中心轴上的大齿轮、中间齿轮轴、斜齿轮、小齿轮轴、增扭轴、增扭齿轮、换挡齿轮以及箱体和提环等。3.2.2 DQ600Y型顶驱结构装配
DQ600Y型顶部驱动装置动力水龙头部分主要由传动部分和箱体组成。为了了解所设计的产品是否存在结构不合理、干涉现象，必须在计算机上根据装配要求进行实际装配，并进行干涉检验，及时发现原设计中可能存在的问题或不足。由于采用的机械设计自动化软件（PRO/E）具有以上功能，可以很方便地实现对零部件的装配和干涉检验工作。3.2.3 运动分析
为了在实际生产之前了解所设计的产品是否能达到原设计的运动功能，设计得总希望能在投入生产之前就能知道结果，采用传统的设计手段只有等产品生产出来进行现场实验才可能知道其运动性能如何。采用计算机仿真技术就能在产品未生产出来就可以知道其运动性能和其它工作性能。在本设计中，按照DQ600Y动力水龙头的运动关系，通过建立其运动模型。
3.2.4 有限元计算
为了了解所设计产品的强度及力学性能、为进一步优化设计方案提供依据，首先必须进行力学分析计算。由于传统的力学计算方法只能完成一些得意结构的力学计算，对于箱体类复杂零件结构是没办法对其进行分析计算，难以确保所设计产品的合理性和可靠性。采用机械设计自动化软件设计产品，由于该软件具有较强的有限元分析计算功能，能够很方便地实现对多种复杂零部件的力学分析计算，为设计者设计出结构合理、性能可靠的新产品提供依据和方法。下面以箱体为例说明采用该软件进行有限元计算的过程。根据结构和载荷 的对称性，取箱体的一半进行分析计算
按照上面所确定的有限元模型进行网络的划分和应力的计算。
从应力分布图中可以看出，在吊耳和轴承座所在的平面与箱体相交的转角处应力较大，但其Von Mises相当应力最大值为237MPa，比材料的异曲同工服极限510MPa低出许多，符合强度要求。
4 结束语
本文介绍了新世纪石油天然气勘探开发对石油装备的要求及发展趋势；提出了在石油装备的研制过程中必须彩高技术、现代化设计方法，确保所研制的产品具有技术水平高、工作性能好、生产成本低和较强的市场竞争能力。计算机仿真技术作为一种新的手段在世界各国广泛使用，为了提高石油装备的技术水平、增强市场竞争能力，在石油装备的开发中应该广泛彩计算机仿真技术，以提高石油装备的综合工作性能，降低研制成本，缩短研制周期，提高经济效益。
产品配置:
控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用物理效用设备（虚拟现实技术）为工具，借助系统模型对实际或设想的系统进行动态试验研究的一门综合性技术
适用领域及情况:
航空、航天、造船、兵器等与国防科研相关的行业
广泛应用于各类系统的全生命周期活动及人员训练决策等过程中
