随着钻采技术的不断革新和钻井要求的日益提高,大功率、大排量的高压泵成为今后钻井设备的发展需求。因此,对于高压钻井泵的研究不仅具有科学研究价值,同时还能够满足工程实践的需要。近年来逐步兴起的虚拟仿真技术成为了钻井泵新产品研发的重要技术手段之一。本文以新型3500HP型钻井泵作为主要的研究对象,通过理论分析与数值模拟的方法,对钻井泵主要零部件进行创新模块化结构设计、虚拟仿真与结构有限元的分析研究,结合响应面法与中心节点组合取样方法进行结构优化,得到相应结论,为研发出满足现代钻井工艺的新型大功率钻井泵,提供理论研究参考。主要研究内容如下:(1)为规避传统结构中的设计与工艺缺陷,创新设计动力端零部件结构,利用Solidworks软件进行创新结构建模。并根据计算理论进行动力端运动特性分析及载荷分析,验证各结构作用力的理论峰值与各作用力曲线产生周期性变化的原因,为后续数值模拟提供参考对比依据。(2)采用虚拟仿真技术,运用ADAMS软件建立3500HP型钻井泵动力端系统动力学模型,从液体压力、输入转矩、受力特性以及转速影响等方面研究钻井泵动力端动力响应的问题。得出与理论分析相似的结论,验证了仿真结果的准确和可靠性。(3)运用AMESim软件进行3500HP型钻井泵液压动力学模型的体系建立与仿真分析,研究结构受力与位移变化的时变特性,吸、排液泵阀位移,速度与流量变化的时变特性以及钻井泵整机流量与泵压的变化情况,得出仿真结果,分析其时变原因,并与理论计算参数进行比对,确认结构设计的准确性。(4)对钻井泵动力端零部件进行有限元分析,确定结构的最大危险点位置,校核结构静力强度。并基于模态分析理论提取曲轴结构前十阶固有频率与振型,同时与激励源的振动频率进行对比,分析潜在共振频率,提出进一步结构优化方向与目标。(5)基于响应面拟合理论,结合中心节点组合设计取样方法,以曲拐半径、曲拐销孔半径、主轴径与芯轴半径作为输入参数,获得优化设计点数据并进行敏感性分析及响应曲面设置,得出响应曲面上变化剧烈与变化平稳的区域并对拟合曲面加以分析,从而有效进行模型参数的估计,确定结构优化方案,合理优化曲轴结构。