基于Pro/ENGINEER的PDC钻头CAD系统的研究与开发
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摘要
近年来国内PDC钻头的设计理论与手段发展迅速，但与国外相比还有较大差距。应用先进的CAD技术来进一步改进和提高其设计手段非常必要。
本文选择Pro／ENGINEER为二次开发平台，利用其二次开发工具Pro／TOOLKIT和VC++6.0联合编程，开发了“PDC钻头CAD系统”软件。在三维环境下，完成了以下PDC钻头设计、分析功能：
(1) 冠部设计，实现了等切削、等磨损、等功率三种理论设计模式和直线-圆弧-直线、直线-圆弧-抛物线、直线-圆弧、直线-抛物线四种拟合方式下的冠部实体设计。
(2) 布齿设计，实现了等距螺旋线、变距螺旋线、等间距、变间距方式下的布齿设计。在垂直布齿保径段及冠部曲线不能用方程表示时，均能实现连续的布齿。
(3) 流道设计，实现了拉伸切削方式下生成垂直流道，设计时直接在三维实体上点选流道形状特征点。
(4) 布置喷嘴设计，直接在三维实体上点选放置点，随意调整位置、方向参数，实时显示喷嘴轴线方向。
(5) 自动装配切削齿，自动生成冠部的装齿齿槽和齿托结构。
(6) 提出了在Pro／TOOLKIT下实现“切削量参数实体测量”的方法，实现了切削面积、切削体积、切削弧弧长的自动测量功能。
(7) 实现了模拟切削井底、切削齿侧面与井底干涉状态的分析。
运用本软件，可显著加快设计速度，提高设计质量。因为是在Pro／ENGINEER三维环境下实现，也为PDC钻头的CAE／CAM打下了坚实的基础。
The PDC bit's design theory develops quickly in our country in recent years, but it still has a big gap compared with foreign countries. So it is very necessary that applying the advanced CAD technique to improve the design means.We choose Pro/ENGINEER as the secondary development environment and make use of its secondary development tool Pro/TOOLKIT in conjunction with VC++6.0 programming, develop the "PDC bit CAD system" software. Under 3D environment, design and analysis functions of PDC bit are as follows:(1) Crown design, realizing three kinds of theoretical design models such as equivalent cutting volume, equivalent wear and equivalent power during PDC bit drilling and four kinds of curve fitting means such as straight line-arc-straight line, straight line-arc-parabola, straight line-arc and straight line-parabola to design crown entity.(2)Cutter distribution design, realizing four kinds of cutter distribution methods such as equivalent spiral line, varied spiral line, equivalent distance and varied distance. This means can realize continuous cutter distribution design at the vertical gauge-protection segment or when we don't know curve's equation.(3) Junk slot design, realizing vertical junk slot with extrude method by picking the 3D points of junk slot on solid directly.(4) Nozzle distribution design, picking the 3D placement points of nozzle on solid directly and adjusting position parameter, direction parameter freely, it will display the axis direction of nozzle momentarily.(5) Automatic assembling cutter and automatic creating the cutter's slot structure in crown.(6) Putting forward the analytical method of "measuring cutting parameters" under Pro/TOOLKIT environment and realizing the function of automatic measuring cutting area, cutting arc length and cutting volume during PDC bit drilling .(7) Realizing the analytical function of simulating PDC cutter's drilling well bottom and the interference analysis between well bottom and cutter.It can speed up designing and increase the quality of PDC bit design by making use of this software. Because of the software running under the Pro/ENGINEER 3D environment, it also builds a solid base for the PDC bit's CAE/CAM.
本文选择Pro／ENGINEER为二次开发平台，利用其二次开发工具Pro／TOOLKIT和VC++6.0联合编程，开发了“PDC钻头CAD系统”软件。在三维环境下，完成了以下PDC钻头设计、分析功能：
(1) 冠部设计，实现了等切削、等磨损、等功率三种理论设计模式和直线-圆弧-直线、直线-圆弧-抛物线、直线-圆弧、直线-抛物线四种拟合方式下的冠部实体设计。
(2) 布齿设计，实现了等距螺旋线、变距螺旋线、等间距、变间距方式下的布齿设计。在垂直布齿保径段及冠部曲线不能用方程表示时，均能实现连续的布齿。
(3) 流道设计，实现了拉伸切削方式下生成垂直流道，设计时直接在三维实体上点选流道形状特征点。
(4) 布置喷嘴设计，直接在三维实体上点选放置点，随意调整位置、方向参数，实时显示喷嘴轴线方向。
(5) 自动装配切削齿，自动生成冠部的装齿齿槽和齿托结构。
(6) 提出了在Pro／TOOLKIT下实现“切削量参数实体测量”的方法，实现了切削面积、切削体积、切削弧弧长的自动测量功能。
(7) 实现了模拟切削井底、切削齿侧面与井底干涉状态的分析。
运用本软件，可显著加快设计速度，提高设计质量。因为是在Pro／ENGINEER三维环境下实现，也为PDC钻头的CAE／CAM打下了坚实的基础。
The PDC bit's design theory develops quickly in our country in recent years, but it still has a big gap compared with foreign countries. So it is very necessary that applying the advanced CAD technique to improve the design means.We choose Pro/ENGINEER as the secondary development environment and make use of its secondary development tool Pro/TOOLKIT in conjunction with VC++6.0 programming, develop the "PDC bit CAD system" software. Under 3D environment, design and analysis functions of PDC bit are as follows:(1) Crown design, realizing three kinds of theoretical design models such as equivalent cutting volume, equivalent wear and equivalent power during PDC bit drilling and four kinds of curve fitting means such as straight line-arc-straight line, straight line-arc-parabola, straight line-arc and straight line-parabola to design crown entity.(2)Cutter distribution design, realizing four kinds of cutter distribution methods such as equivalent spiral line, varied spiral line, equivalent distance and varied distance. This means can realize continuous cutter distribution design at the vertical gauge-protection segment or when we don't know curve's equation.(3) Junk slot design, realizing vertical junk slot with extrude method by picking the 3D points of junk slot on solid directly.(4) Nozzle distribution design, picking the 3D placement points of nozzle on solid directly and adjusting position parameter, direction parameter freely, it will display the axis direction of nozzle momentarily.(5) Automatic assembling cutter and automatic creating the cutter's slot structure in crown.(6) Putting forward the analytical method of "measuring cutting parameters" under Pro/TOOLKIT environment and realizing the function of automatic measuring cutting area, cutting arc length and cutting volume during PDC bit drilling .(7) Realizing the analytical function of simulating PDC cutter's drilling well bottom and the interference analysis between well bottom and cutter.It can speed up designing and increase the quality of PDC bit design by making use of this software. Because of the software running under the Pro/ENGINEER 3D environment, it also builds a solid base for the PDC bit's CAE/CAM.
引文
[1] 杨迎新．PDC钻头切削力学研究．西南石油学院博士学位论文，2003．
[2] Schlumberger. The Schlumberger PDC Bit Technoloqy Manual. (?) Schlumberger, 2001.
[3] 钱亦龙．PDC钻头水利学研究．西南石油学院硕士学位论文，2001．
[4] 陈国庆．PDC钻头的发展趋势．石油机械，2003，第31卷增刊：103-106．
[5] 孙明光，张云联．新型PDC钻头设计．石油钻采工艺，2000，22(2)：31-35．
[6] 彭军生，杨利．PDC钻头技术的新进展．石油机械，2001，29(11)：49-51．
[7] 吴姬昊．PDC钻头底模成形技术的研究．西部探矿工程(岩土、钻掘和矿业工程)，1994，6(2)：16-18．
[8] 童秉枢，李学志等．机械CAD技术基础．北京：清华大学出版社，1996．
[9] 王贤坤．机械CAD／CAM技术应用与开发．北京：机械工业出版社，2000．
[10] 王知行，李建生等．机械CAD与仿真技术．黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，2000．
[11] 张红旗．汽车前轴的快速设计系统．合肥工业大学硕士学位论文，2002．
[12] 王霞．基于Pro／E的三牙轮钻头CAD系统的研究与开发．西南石油学院硕士学位论文，2001．
[13] PTC. Pro/TOOLKIT User's Guide. USA: Parametric Technology Corporation, 2001.
[14] 李世国．PRO／TOOLKIT程序设计．北京：机械工业出版社，2003．
[15] 李树盛．PDC钻头工作理论及现代设计方法研究．西南石油学院博士学位论文，1994．
[16] 邹德永，王瑞和，岳志国．PDC钻头的轨迹方程及切削参数计算方法．石油钻采工艺，2003，25(5)：34-38．
[17] 翟应虎，蔡镜仑．PDC钻头切削齿运动规律的探讨．石油大学学报(自然科学版)，1995，19(4)：49-53．
[18] 谭浩强等编著．程序设计与开发技术．北京：清华大学出版社，1991．
[19] 张海藩．软件工程导论．北京：清华大学出版社，1992．
[20] 李树盛等．PDC钻头优化设计与CAD系统软件开发．石油矿场机械，1997，26(1)：2-5．
[21] 彭桦，王福修．钻头冠部剖面形状设计模式．石油钻探技术，1996，24(4)：38-40．
[22] 翟应虎，王克雄，蔡镜仑．PDC钻头的螺旋线布齿方法．石油大学学报(自然 科学版)，1995，19(2)：25～29．
[2
[23] 刘建风．PDC钻头布齿研究及其计算机辅助设计．成都理工大学硕士学位论文，2003．
[24] 须志刚，杨宝德，刘钢．PDC钻头等功率布齿的方法．石油钻探技术，1994，22(1)：37-39．
[25] 赖茂宏，黄全舟，胡宏涛．一种PDC钻头布齿算法．西安石油学院学报，1991，6(1)：47-54．
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[37] 乔林，杨志刚等．Visual C++6.0高级编程技术．北京：中国铁道出版社，2000．
[38] 赖朝安等．Pro／E二次开发的关键技术．机械设计与制造工程，2001，30(1)：43-45．
[39] 侯永涛，顾寄南．Pro／E二次开发的菜单及用户界面技术．机械与电子，2003(3)：72-74．
[40] 王军辉．产品的虚拟装配过程—在Pro／ENGINEER下的实现．南京理工大学硕士学位论文，2002．
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