石油机械软件分析平台方案设计和优化

王 雄

（新疆克拉玛依市荣昌有限责任公司，新疆克拉玛依834009） ①

石油机械软件分析平台方案设计和优化

王 雄

（新疆克拉玛依市荣昌有限责任公司，新疆克拉玛依834009）①

应用现代设计理论和方法，通过对石油机械软件分析平台功能的定义、分析及综合，从定性、定量2个方面进行分析和评价，获得了石油机械软件分析平台的最优方案，即应用Pro／E、ADAMS及ANSYS软件作为其分析功能模块，石油机械设计者可通过该平台进行结构设计、运动学和动力学仿真，并在虚拟条件下检验设计结果的正确性。

石油机械；软件；分析平台；方案；优化

原理和方案设计是应用系统科学理论，从产品的功能分析入手，研究产品的功能系统，明确产品的总功能、各子功能以及它们之间的关系；再依据设计要求，探寻原理解法，提出创造性方案的方法［1－2］。本文针对石油机械软件分析平台的主要应用功能提出原理性的构思［3］，探索了解决该分析平台问题的物理效应和工作原理过程，对石油机械软件分析平台方案进行了设计与优化。

1 功能定义

1.1 设计要求

石油机械软件分析平台能够使设计者准确检验产品的装配性能，可直观地在虚拟条件下看到设计结果，随时对零件设计参数、运动参数及选用材质等进行改进，建立石油机械相关常规零部件调用模型库［4］。

1.2 分析平台

黑箱法是一种根据产品的输入、输出转换关系来定义产品总功能的应用方法，由输入部分、输出部分及中间环节（黑箱）3部分组成［3］。图1为石油机械软件分析平台黑箱，左、右两边由不同输入形式（零件造型、计算机控制、能量）和输出形式（实体模型、全套工程图）组成，通过对图中输入和输出的比较，概括该软件分析平台的总功能，输出全套工程图纸。

图1 石油机械软件分析平台黑箱

2 功能分析

产品功能分析是指在对产品总功能定义的基础上，按照各功能之间所要达到的实施目的及实施过程中所采用的方法或手段之间的关系；采取应用树状示意图将石油机械软件分析平台的总功能进行分解，并构建功能结构系统，如图2。

图2 石油机械软件分析平台功能结构系统

3 功能综合

石油机械软件分析平台功能综合就是在功能分析的基础上，进行平台功能元的求解和相关方案的组合。石油机械软件分析平台总功能共分解为9个单元，利用形态学矩阵（如表1）进行方案组合可得到N个组合方案，即

N＝3×3×2×3×3×2×2×2×2＝2 592

根据石油机械软件分析平台的设计要求，剔除与平台功能设计要求不符及与各功能元的解（软件模块功能）不相容的方案，结合设计经验选择可行组合方案。

1） 方案1 A3＋B3＋C2＋D1＋E1＋F1＋G2＋H2＋I1。

2） 方案2 A2＋B2＋C2＋D2＋E2＋F2＋G1＋H1＋I2。

3） 方案3 A1＋B1＋C1＋D2＋E2＋F2＋G2＋H1＋I2。

表1 石油机械软件分析平台形态学矩阵

4 设计方案评价

分析平台设计方案评价决策就是在众多已有功能综合基础上，选择确定出切实可行的3套组合方案，按照预先确定的评价目标或评价指标给予定性以及定量的评价，并从中选择最佳设计方案，以期为后续实际分析平台的研发提供参考［2－3］。

4.1 定性评价

通过对已选定的3套原理设计方案进行比较分析，3种方案在平台零件设计、装配模块的实现、运动及动力学仿真和材料有限元分析所借助软件各不相同。

1） 零件设计、装配模块 表1所例举的3种三维实体建模软件均可实现，但在CAXA软件建模中，实体精度不高，易造成后续设计零部件干涉；Pro／E软件三维实体建模功能强大、建模数据传输接口性能优良，且与诸多动力、运动分析软件传输坐标一致，方便后续优化设计［5］。

2） 运动、动力学仿真 Pro／E、ADAMS及UG软件在石油机械三维实体运动及动力学仿真中各有特点。Pro／E软件三维实体建模功能强大，通常在其界面内直接进行运动及动力学仿真省工省力，免去了不同软件之间因为接口不同而繁琐的转化步骤，但应用该软件后所获得运动及动力参数较少，很多数据不能够直接获得；UG软件主要偏向于涉及诸多曲面的石油及矿山机械，应用时具有局限性；ADAMS软件中其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对导入的石油机械虚拟机械系统进行分析，具有强大的运动学和动力学分析功能［6－7］。

3） 有限元分析 Solid Works软件中带有材料有限元分析模块，但是仅针对一些形状简单的零部件，且该软件的接口适应性有限；ANSYS软件是专门为材料有限元分析所设计，提供了与大多数三维软件进行数据共享和交换的图形接口，适用范围较广［8］。

4.2 定量评价

选用通常所应用的加权系数法进行分析平台设计方案的分析评价。

4.2.1 确定评价目标及加权系数

根据石油机械软件分析平台功能实现设计要求，确定了4项评价指标，利用判别法计算各评价指标的加权系数。评价指标和加权系数值如表2所示［3］。

表2 加权系数判别计算

4.2.2 方案评分

在石油机械软件分析平台设计评价阶段，通常采用10分制评分标准（如表3）进行评分。为了减少由于个人的主观因素对方案评分的影响，采用集体评分法对石油机械软件分析平台3个已选定结构方案进行评价，其平均分作为有效分值进行参考，设

计方案评价分析结果如表4。

表3 评分标准

表4 石油机械软件分析平台评价分值

4.2.3 计算有效分值

通过表2～4评价分值，计算已选择3种方案的有效分值。

1） 方案1 F＝6×0.357＋4×0.214＋4× 0.25＋6×0.179＝5.072。

2） 方案2 F＝8×0.357＋8×0.214＋6× 0.25＋10×0.179＝7.858。

3） 方案3 F＝4×0.357＋4×0.214＋2× 0.25＋4×0.179＝3.5。

由3种方案的有效分值的计算结果可以看出，方案2的有效评分值最高为7.858，可作为石油机械软件分析平台设计的最佳方案。

通过对石油机械软件分析平台的3个初选方案进行定性分析和定量评价，确定方案2，即A2＋B2＋C2＋D2＋E2＋F2＋G1＋H1＋I2为最佳原理设计方案。

5 结语

从系统功能出发，采用形态学矩阵的方法提出了软件设计平台设计预选方案的有效方法；列出了该平台实现每一个功能模块、功能子方案的优缺点。结合实际经验提出了石油机械软件分析平台设计的3个方案。通过对石油机械软件分析平台方案进行设计与优化，从定性、定量2方面分析比较得出了最优方案，即该平台应用Pro／E、ADAMS及ANSYS软件作为其分析功能模块，实现效果最佳。该设计与优化方法的应用可为我国石油机械软件分析平台的研发提供参考。

［1］ 王春雨，张广文.自动冲切机原理方案设计［J］.机械设计与制造，2007（7）：213－214.

［2］ 郭连忠.新型发酵机的原理方案设计探讨［J］.实验科学与技术，2004（4）：4－7.

［3］ 廖林清.机械设计方法学［M］.四川：重庆大学出版社，1996.

［4］ 周玉存.基于Pro／Engineer的装配仿真技术在石油机械设计中的应用［J］.石油工程建设，2006，32（5）：71－72.

［5］ 张建龙，周体秋.石油机械计算机辅助制图系统在钻井工具制图中的应用［J］.石油钻探技术，1997，25（2）：45－46，55.

［6］ 黄传勇.基于Pro／E的CAD／CAM一体化技术研究［J］.机电产品开发与创新，2005，18（3）：110－112.

［7］ 李 光，仝雷强，张永明，等.基于Pro／E及ADAMS的液压挖掘机整机机构的建模与运动仿真［J］.机械管理开发，2010，25（6）：46－48.

［8］ 毛 君，刘继权，谢 苗.虚拟产品开发技术在石油机械领域的应用展望［J］.石油矿场机械，2006，35（6）：69－72.

Scheme Design and Optimization of Soft Ware Analysis Platform of Petroleum Machinery

WANG Xiong
（Xinjiang Karamay Rong chang Co.，L td.，Karamay834009，China）

According to development process function demand of petroleum machinery，using modern design theory methodology to design and optimization of soft ware analysis platform based on petroleum machinery，through defining and analyzing and compositing the total function，from the two aspects of the qualitative and quantitative to analysis and evaluation the principle scheme，the optimization principal scheme of soft ware analysis platform was obtained based on petroleum machinery，which uses PRO／E，ADAMS and ANSYS software as the analysis platform function module.This design and optimization method will provide the important technical reference and guidance for researching of soft ware analysis platform based on petroleum machinery in China.

petroleum machinery；soft ware；analysis platform；principal scheme；optimization

1001－3482（2012）01－0076－04

TE9

B

2011－09－06

王 雄（1980－），男，甘肃定西人，主要从事石油机械制造及进口发动机维修工作，E－mail：victor198208＠163.com。