周小峰，雷振军,2，王东,2，黄许澎,2

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721000；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721000）

0 引 言

塔型井架是一种常见的井架形式。海洋平台钻机模块中的井架基本上都采用塔式结构。其具有受力稳定性好、操作空间大等优点。近年来，随着陆上油气资源的不断减少，海洋石油资源的勘探和开发逐渐成为业内关注的重点，塔型井架在海洋油气勘探开发中得到了越来越广泛的应用。

塔型井架具有典型的空间桁架结构（如图1）。主要由各种型材和连接板通过螺栓连接而成。客户订货时，由于平台上各设备参数不确定，造成井架高度、顶部开档、底部开档等主要参数反复更改。用常规AutoCAD二维设计，由于不支持尺寸驱动，经常出现变动几个参数就导致整个井架需要重新设计的状况。设计中，也经常需要根据受力状况更改型材规格。因此需要运用参数化减少设计中的重复工作。

图1 塔型井架现场

UG NX软件是集CAD/CAM/CAE 于一体的软件成系统[1]，可为用户提供功能强大的参数化设计功能。其中Wave技术在自顶向下设计中发挥着重要作用。UG NX功能强大，是四大主流三维参数化设计工具之一，能够满足参数化设计的需要。

1 基于Wave，通过控制结构实现产品布局参数化

1.1 自底向上的装配的缺点

利用UG NX软件，基于二维绘制图样，建立每个立柱、斜撑等实体模型的自底向上的装配方案，若遇见了以下问题，将导致参数化无法进行。

1)相关尺寸不能一次性修改。塔型井架的横梁和斜撑长度由开档和高度决定。如图2所示，当修改x1、x2、h1时，对应的横梁、斜撑等尺寸发生改变。采用自底向上方案，要逐一修改每个横梁、斜撑尺寸，需通过CAD等二维图进行每个尺寸放样，失去了使用NX软件的意义。

图2 塔型井架主要参数

2）部件太多，施加的装配约束太多，且各约束间没有主次先后之分，约束的管理和修改都很麻烦，修改后经常发生错位等错误。

3)从AutoCAD根据几何原理放样出来的图样，考虑到加工精度要求，经常要进行圆整, 会和理论值产生误差。这会经常导致装配发生错误，例如本应严格对齐的两个面经常会有角度或者距离误差。

1.2 UG NX Wave技术实现产品参数化

自底向上没有从总体的角度考虑问题，各个部件各自独立，自然很难组成一个有机的整体。UG NX Wave技术就是为解决这个问题而产生的，它融合了参数化造型技术和系统工程[2]，自上而下全相关，把方案的总体设计参数和零部件间的相关变量或参数作为纽带，兼容产品设计准则和专业规范，将总体方案与零部件的设计作为一个有机的整体。

1.2.1 UG NX Wave的基本步骤

1）分析产品结构，理清全局变量和局部变量，搭建产品的控制结构（如图3）。使用草绘、基准面等建模手段，表达产品的总体参数、零部件布置与定位信息等。

图3 控制结构搭建

2）使用Wave几何链接器[2]，从控制结构中关联复制几何元素，零部件围绕此几何元素进行详细设计。产品设计从粗到细，符合人的思维习惯和产品设计的流程。

1.2.2 利用UG NX Wave建立塔型井架实例展现

塔型井架是典型的桁架结构，型材的中心线组成一个线框，决定着塔型井架的开档等主要设计参数。从图2可以看出，塔型井架的顶部开档、底部开档、高度等决定着横撑和斜撑的位置和长度。框架搭建过程如下:1）在3个不同高度的基准面上，用草绘表达顶部开档、收缩点开档、底部开档；2）根据开档线条，绘制塔型井架4个侧基准面；3）在每个侧基准面上，绘制横撑斜撑中心线。

进入详细设计阶段后，使用Wave几何链接器把中心线和4个侧基准面关联复制到相应部件。为了后续处理型钢结点方便，把井架以收缩点为界，分为上下部件。当然也可以每个杆件为一个部件，但这样会使得结点难以处理。部件组织关系如图4所示。上部链接了中心线和基准面后，就可以基于这些主要信息进行详细设计。

图4 部件组织关系图

2 基于UDF建立型材库,实现型材参数化

2.1 常用建库方法的缺点

塔型井架是桁架结构，大量使用了H型钢、槽钢、角钢等型材。假如每个杆件都绘制截面扫描的话，费时费力。因此，型材库的建立对于塔型井架的参数化具有重要的意义。对于型材，常通过部件族建库和利用管道模块提供的功能建库。

2.1.1 部件族建库的缺点

部件族表是先建立一个标准模型，然后建立族表，族表（如图5）的每一列对应模型的一个主要参数，族表的每一行是不同的参数值。族表调用时可以选择参数，然后通过装配约束进行定位。调用部件族本质上仍然是装配，只适用于自底向上设计。族表方式建立的型材库装配繁琐，且型材间处理结点不便。

图5 部件族表式工字钢库

2.1.2 管道模块建库的缺点

管道模块建库是一种自顶向下式建库方式，可以依托中心线生成型钢。但它有以下几个缺点:

1)需要具有管道模块许可证，提高了企业成本。建模时经常要在管道模块和建模模块之间切换，比较繁琐。

2)型材的定位不够方便，对于不与工作坐标系正交的杆件，定位比较麻烦。

3) 修改参数不便。要改变型材的参数，只能先在库里建好改变参数化后的型材，然后使用替换的方式，比较麻烦。

4)扫描线和型材中心线有时需要偏置，管道模块建的型材很难修改偏置距离。

2.2 UDF建立的型材库的优点

UDF建立的型材库调用界面如图6 所示，其界面友好，优点如下：

图6 工字钢UDF库调用

1）可以方便地修改型材的参数。不需要把型材规格预先定义一个表格。

2）支持锚点和相对锚点的偏移。通过改变intx和inty的值，可以使型材的边缘等锚点通过扫描线，通过改 变xoffset 和yoffset 值 可以控制相对锚点的偏移。

3）定位方便。具有两个参考，参考1为扫描线，决定型材位置，参考2可以选择与型材某表面平行的基准面，决定了型材的初始角度。可以在输入框里改变相对参考基准面的角度。无论与工作坐标系是否正交，都可以方便地定位型材。图7中的工字钢上表面就是倾斜的。比管道模块型材定位方式方便很多。

图7 斜面上的工字钢

4）全部操作都在建模模块完成，可减少切换模块的麻烦，节约时间，且不需购买管道模块，降低了企业成本。

5）建库步骤简单。主要有绘制模型文件、模型约束、型材定位及用户定义特征4个步骤。3 成果及展望。

赋予型材后，经过处理结点、建立耳板等后续操作，最终模型如图9所示。通过搭建控制结构和Wave技术，实现了井架的自顶向下设计[3]，实现了产品级别的参数化；通过UDF技术，建立了参数化的型材库，实现了零件级参数化。相同结构的塔型井架可以参数化驱动，提高了设计效率，减少了设计者的重复性劳动。

图8 建立UDF库

图9 井架最终模型图