一、项目介绍

Baker Hughes 是世界领先的油田服务、产品、技术和系统供应商，公司总部位于德克萨斯州休斯敦，全球化运营，拥有近59,000名员工。借助全球石油和天然气行业的高度创新产品与服务，近期创下了214亿美元年销售收入的记录。

Baker Hughes的客户处于一个竞争激烈的市场，他们需要在深水和北极地区进行海上钻探，需要不断完善页岩和水力压裂技术，而且需要持续适应严苛的环境和遵守安全法规。与此同时，他们还必须应对越来越深的油井、极高的压力与温度，以及非常规地质差异等技术难题。

因此，产品可靠性、安全、产品上市速度和成本控制都是在此行业内取得成功的关键因素。为保持竞争优势，石油与天然气服务公司必须确保所造产品既恰当又可靠，同时还能满足客户的预期并领先于竞争对手。“开发优化的产品的关键在于，在虚拟环境中设计、仿真、测试和验证产品性能，然后仅对最终的设计进行物理样机验证”，Baker Hughes 资深项目工程师 Ganesh Nanaware 表示。“在虚拟环境中，虚拟仿真模型的精度和可靠性对于在更短的时间和更低的成本下生成一个稳健的产品设计的流程是极其重要的。”

因此，Baker Hughes决定将有限元分析仿真结合到产品的开发过程中，在从概念和设计开发到样机制作、生产、现场测试、产品发布和生命周期管理的每个阶段都应用仿真技术。

二、挑战

在 Baker Hughes 的开发过程中产生的一个最具创新意义的产物是，一个用于向之前在钻井孔施工作业过程中所下套管柱的底部附加一个衬管柱的工具。整个系统包括一个沿着衬管移动的用于拓宽悬挂器主体的定位工具（或下管工具），一个用于悬挂衬管负载的滑环，以及一个用于密封衬管与变径套管之间空间的封隔器。

因此，可拓宽的衬管悬挂器使用管道膨胀来代替传统上通过接触套管壁来支持衬管重量并密封之间空间的做法。借助此系统，可为封隔器独立定位的水泥衬管应用进行无缝的一次双级悬挂器和封隔器定位。在固井作业前仅需安装和释放这个可拓宽的衬管悬挂器系统，这可消除活动工具在固井过程中被固定的风险，避免打捞和弃井。

构建高成本效益、安全且可靠的可拓宽衬管悬挂器的挑战在于需要在整个产品开发过程中使用仿真技术。

“我们当时就确信，虚拟仿真能够有效地结合到可拓宽衬管悬挂器系统的开发过程中，能够在极富挑战性的钻井孔施工中提高设备的可靠性和鲁棒性，而且还能减少开发时间和成本”，Nanaware表示。

三、解决方案

Baker Hughes采用了内含Altair HyperWorks计算机辅助工程设计工具的FEA仿真方案，以便在其产品开发周期中利用仿真的诸多优势：

• 加快系统设计的开发速度
• 预测衬管悬挂器系统的悬挂能力和密封完整性
• 优化系统设计的性能
• 提高设计的可靠性
• 减少开发成本与开发时间

该公司采用一个包含七个步骤的方法来检验和验证可拓宽衬管悬挂器虚拟仿真模型。

首先，开发人员会构建一个FEA模型，然后根据过往经验、自身判断、人工计算和类似产品的测试数据来检验此模型。如果必要，模型将进行完善调整，此外还可选择通过实验设计 (DOE) 技术来执行可靠性评估步骤，之后再对这些调整和优化进行重新验证。下一步，将会根据物理样机测试数据验证仿真模型的结果。分析师会往复执行各个步骤，构建、检验和验证数据，直至所得结果反映实际的行为并在物理样机测试中得到很高的关联度。在具有已经过验证的仿真模型后，进一步的评估和性能预测将可更加从容地进行。

借助 HyperWorks前处理工具HyperMesh，Baker Hughes为包含六七百万个元件的整个可拓宽悬挂器系统构建了一个3D有限元模型。然后对此模型进行检验。

“我们有一些特性类似产品的历史性能数据，还有一些计算得到的数值，我们感觉这些可代表我们的预期，”Nanaware解释说。“我们按照其他产品的这些数值和历史性能来比较了我们的仿真结果，比较出的结果令我们非常满意。”

然后仿真模型将与实际测试部件进行对比，所得结果也非常类似，表明模型是有效的。但仿真模型中显示的悬挂性能结果比样机测试数据高出25%。

经判断，这一差异是因为摩擦系数的少量误差所造成。之后通过 HyperMesh 对模型进行了调整，加入和考虑了不同的摩擦系数、材料模型的更新、模型复杂度的更改、几何公差的重新评估和最差情况情景。

“在调整后，”Nanaware称，“与最初的25%误差相比，我们的模型结果明显更加接近。”

基准悬挂器滑动设计得到了 95%的可靠度，低于所需的可靠性目标。为了符合可靠性目标，执行了基于可靠性的设计优化。

BakerHughes使用了HyperWorks套件中的HyperStudy来进行可靠性评估和改进。可靠性评估过程包括设计变量识别、DOE研究、响应面建模和基于响应面模型的随机研究，目的是对可靠性进行预测。最后借助可靠性设计优化执行了可靠性改善。

通过随机分析来评估设计可靠性

井下套管整形器与备用环的验证示例

四、结论

Baker Hughes采用的七步验证流程实现了FE模型和物理测试间+/- 4%的关联水平。成功将样机数量减少了 60%到70%，而且与此同时还提高了性能。举例来说，在HyperStudy指导下，滑环设计的优化使系统的悬挂能力提高了40%。

“最终，结合了HyperMesh进行前处理和部分后处理并利用HyperStudy进行了实验设计的仿真流程加快了我们产品的开发速度，使开发时间从原本的65个月缩短到26个月，缩短了60%的开发时间”，Nanaware反映。“而且，这一过程还削减了总体的开发成本。”

可拓宽衬管悬挂器的开发展现了仿真在帮助创新上所具有的价值。在这一具体实例中，它以一个虚拟的过程加快了产品的上市速度，提高了质量并降低了成本，最终帮助满足了世界的能源需求。