Baker Hughes借助HyperWorks驅(qū)動(dòng)仿真削減 60%的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間

2017-01-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

項(xiàng)目介紹

Baker Hughes 是世界領(lǐng)先的油田服務(wù)、產(chǎn)品、技術(shù)和系統(tǒng)供應(yīng)商,公司總部位于德克薩斯州休斯敦,全球化運(yùn)營(yíng),擁有近59,000名員工。借助全球石油和天然氣行業(yè)的高度創(chuàng)新產(chǎn)品與服務(wù),近期創(chuàng)下了214億美元年銷售收入的記錄。

Baker Hughes的客戶處于一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng),他們需要在深水和北極地區(qū)進(jìn)行海上鉆探,需要不斷完善頁(yè)巖和水力壓裂技術(shù),而且需要持續(xù)適應(yīng)嚴(yán)苛的環(huán)境和遵守安全法規(guī)。與此同時(shí),他們還必須應(yīng)對(duì)越來越深的油井、極高的壓力與溫度,以及非常規(guī)地質(zhì)差異等技術(shù)難題。

因此,產(chǎn)品可靠性、安全、產(chǎn)品上市速度和成本控制都是在此行業(yè)內(nèi)取得成功的關(guān)鍵因素。為保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),石油與天然氣服務(wù)公司必須確保所造產(chǎn)品既恰當(dāng)又可靠,同時(shí)還能滿足客戶的預(yù)期并領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。“開發(fā)優(yōu)化的產(chǎn)品的關(guān)鍵在于,在虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試和驗(yàn)證產(chǎn)品性能,然后僅對(duì)最終的設(shè)計(jì)進(jìn)行物理樣機(jī)驗(yàn)證”,Baker Hughes 資深項(xiàng)目工程師 Ganesh Nanaware 表示。“在虛擬環(huán)境中,虛擬仿真模型的精度和可靠性對(duì)于在更短的時(shí)間和更低的成本下生成一個(gè)穩(wěn)健的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程是極其重要的。”

因此,Baker Hughes決定將有限元分析仿真結(jié)合到產(chǎn)品的開發(fā)過程中,在從概念和設(shè)計(jì)開發(fā)到樣機(jī)制作、生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、產(chǎn)品發(fā)布和生命周期管理的每個(gè)階段都應(yīng)用仿真技術(shù)。

挑戰(zhàn)

在 Baker Hughes 的開發(fā)過程中產(chǎn)生的一個(gè)最具創(chuàng)新意義的產(chǎn)物是,一個(gè)用于向之前在鉆井孔施工作業(yè)過程中所下套管柱的底部附加一個(gè)襯管柱的工具。整個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)沿著襯管移動(dòng)的用于拓寬懸掛器主體的定位工具(或下管工具),一個(gè)用于懸掛襯管負(fù)載的滑環(huán),以及一個(gè)用于密封襯管與變徑套管之間空間的封隔器。

因此,可拓寬的襯管懸掛器使用管道膨脹來代替?zhèn)鹘y(tǒng)上通過接觸套管壁來支持襯管重量并密封之間空間的做法。借助此系統(tǒng),可為封隔器獨(dú)立定位的水泥襯管應(yīng)用進(jìn)行無縫的一次雙級(jí)懸掛器和封隔器定位。在固井作業(yè)前僅需安裝和釋放這個(gè)可拓寬的襯管懸掛器系統(tǒng),這可消除活動(dòng)工具在固井過程中被固定的風(fēng)險(xiǎn),避免打撈和棄井。

構(gòu)建高成本效益、安全且可靠的可拓寬襯管懸掛器的挑戰(zhàn)在于需要在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中使用仿真技術(shù)。

“我們當(dāng)時(shí)就確信,虛擬仿真能夠有效地結(jié)合到可拓寬襯管懸掛器系統(tǒng)的開發(fā)過程中,能夠在極富挑戰(zhàn)性的鉆井孔施工中提高設(shè)備的可靠性和魯棒性,而且還能減少開發(fā)時(shí)間和成本”,Nanaware表示。

Baker Hughes借助HyperWorks驅(qū)動(dòng)仿真削減 60%的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間ansys培訓(xùn)課程圖片2

襯管懸掛器組件的部分典型網(wǎng)格

懸掛器封隔器組件上所受的應(yīng)力

解決方案

Baker Hughes采用了內(nèi)含Altair HyperWorks計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)工具的FEA仿真方案,以便在其產(chǎn)品開發(fā)周期中利用仿真的諸多優(yōu)勢(shì):

? 加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)速度

? 預(yù)測(cè)襯管懸掛器系統(tǒng)的懸掛能力和密封完整性

? 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能

? 提高設(shè)計(jì)的可靠性

? 減少開發(fā)成本與開發(fā)時(shí)間

該公司采用一個(gè)包含七個(gè)步驟的方法來檢驗(yàn)和驗(yàn)證可拓寬襯管懸掛器虛擬仿真模型。

首先,開發(fā)人員會(huì)構(gòu)建一個(gè)FEA模型,然后根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)、自身判斷、人工計(jì)算和類似產(chǎn)品的測(cè)試數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)此模型。如果必要,模型將進(jìn)行完善調(diào)整,此外還可選擇通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE) 技術(shù)來執(zhí)行可靠性評(píng)估步驟,之后再對(duì)這些調(diào)整和優(yōu)化進(jìn)行重新驗(yàn)證。下一步,將會(huì)根據(jù)物理樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真模型的結(jié)果。分析師會(huì)往復(fù)執(zhí)行各個(gè)步驟,構(gòu)建、檢驗(yàn)和驗(yàn)證數(shù)據(jù),直至所得結(jié)果反映實(shí)際的行為并在物理樣機(jī)測(cè)試中得到很高的關(guān)聯(lián)度。在具有已經(jīng)過驗(yàn)證的仿真模型后,進(jìn)一步的評(píng)估和性能預(yù)測(cè)將可更加從容地進(jìn)行。

借助 HyperWorks前處理工具HyperMesh,Baker Hughes為包含六七百萬個(gè)元件的整個(gè)可拓寬懸掛器系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)3D有限元模型。然后對(duì)此模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

“我們有一些特性類似產(chǎn)品的歷史性能數(shù)據(jù),還有一些計(jì)算得到的數(shù)值,我們感覺這些可代表我們的預(yù)期,”Nanaware解釋說。“我們按照其他產(chǎn)品的這些數(shù)值和歷史性能來比較了我們的仿真結(jié)果,比較出的結(jié)果令我們非常滿意。”

然后仿真模型將與實(shí)際測(cè)試部件進(jìn)行對(duì)比,所得結(jié)果也非常類似,表明模型是有效的。但仿真模型中顯示的懸掛性能結(jié)果比樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)高出25%。

經(jīng)判斷,這一差異是因?yàn)槟Σ料禂?shù)的少量誤差所造成。之后通過 HyperMesh 對(duì)模型進(jìn)行了調(diào)整,加入和考慮了不同的摩擦系數(shù)、材料模型的更新、模型復(fù)雜度的更改、幾何公差的重新評(píng)估和最差情況情景。

“在調(diào)整后,”Nanaware稱,“與最初的25%誤差相比,我們的模型結(jié)果明顯更加接近。”

基準(zhǔn)懸掛器滑動(dòng)設(shè)計(jì)得到了 95%的可靠度,低于所需的可靠性目標(biāo)。為了符合可靠性目標(biāo),執(zhí)行了基于可靠性的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

BakerHughes使用了HyperWorks套件中的HyperStudy來進(jìn)行可靠性評(píng)估和改進(jìn)?？煽啃栽u(píng)估過程包括設(shè)計(jì)變量識(shí)別、DOE研究、響應(yīng)面建模和基于響應(yīng)面模型的隨機(jī)研究,目的是對(duì)可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后借助可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化執(zhí)行了可靠性改善。

通過隨機(jī)分析來評(píng)估設(shè)計(jì)可靠性

井下套管整形器與備用環(huán)的驗(yàn)證示例

結(jié)論

Baker Hughes采用的七步驗(yàn)證流程實(shí)現(xiàn)了FE模型和物理測(cè)試間+/- 4%的關(guān)聯(lián)水平。成功將樣機(jī)數(shù)量減少了 60%到70%,而且與此同時(shí)還提高了性能。舉例來說,在HyperStudy指導(dǎo)下,滑環(huán)設(shè)計(jì)的優(yōu)化使系統(tǒng)的懸掛能力提高了40%。

“最終,結(jié)合了HyperMesh進(jìn)行前處理和部分后處理并利用HyperStudy進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的仿真流程加快了我們產(chǎn)品的開發(fā)速度,使開發(fā)時(shí)間從原本的65個(gè)月縮短到26個(gè)月,縮短了60%的開發(fā)時(shí)間”,Nanaware反映。“而且,這一過程還削減了總體的開發(fā)成本。”