CN102609566B - 一种非api螺纹密封面优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非API螺纹密封面优化设计方法，以多个典型极限工况载荷点的密封面密封性定量要求构造优化目标函数，以非均匀B样条曲线描述内、外螺纹的密封面形状，以非均匀B样条曲线的特征多边形控制顶点坐标为优化设计变量，以油套管密封面直径参数范围要求以及满足密封面接触过盈上限要求确定优化设计变量的约束条件，运用有限元数值模拟建立密封面密封性目标函数和不同密封面形状设计变量之间的联系，通过数值模拟构造用于评估响应函数的试验数据点，构建优化模型，采用基于稳健设计方法改进的非支配排序遗传算法对优化设计模型进行多目标优化，求出Pareto最优解集合。通过本发明方法有针对性的精确控制了螺纹接头的密封完整性。
Description
技术领域
本发明涉及螺纹密封面优化技术领域，具体地来说为一种非API螺纹密封面优化设计方法。
背景技术
伴随着高压气井勘探开发的不断发展，具备气密封能力的非API螺纹油套管得到了愈加广泛的应用，API(American Petroleum Institute)是美国石油学会的缩写，满足美国石油学会的规定的标准油套管称为API标准油套管，API标准规定的产品包括油管、套管、钻杆、钻挺、管线管等，API标准螺纹的油、套管在石油工业领域的应用已有几十年之久，至今仍起着十分重要的作用。但是，随着深井、超深井、高温高压等苛刻井况的大量出现，非API标准的特殊扣螺纹油、套管的应用也越来越广泛，并在石油管材的使用中占据越来越大的比例。对于通常采用的非API螺纹金属对金属密封结构而言，油套管柱密封完整性的保证依赖于其密封面在各种复杂工况下始终保持较高的啮合接触压力，因此密封面设计是非API螺纹设计中的核心部分。传统的密封面设计主要凭借经验和类比，通过多次的油套管气密封实物试验验证结合反复再设计确定方案，设计过程的盲目性和偶然性降低了设计质量、增加了设计成本。将优化设计方法应用于工程实际问题可颠覆性的改进传统设计理念和过程。经文献检索分析，发现一种非支配排序遗传算法(源于：Kalyanmoy Deb，Amrit Pratap，Sameer Agarwal，A fast and elitistmulti-objective genetical gorithm：NSGA-II，IEEE Transactions onEvolutionary Computaion，2002，6(2)：182-197)，该方法的特点为：一种基于Pareto策略的多目标遗传算法，一般来说，多目标优化问题并不存在一个最优解，所有可能的解都称为非劣解，也称为Pareto解。传统优化技术一般每次能得到Pareo解集中的一个，而用遗传算法来求解，可以得到更多的Pareto解，甚至是整个的解都成为Pareto解，这些解构成了一个最优解集，称为Pareto最优解.它是由那些任一个目标函数值的提高都必须以牺牲其他目标函数值为代价的解组成的集合，称为Pareto最优域，简称Pareto集，又称为有效解。该方法通过随机生成父代种群，以特定的虚拟适应度值表示，进行复制、杂交、变异等遗传运算生成大量子代种群，利用精英策略构造新种群，不断重复循环实现求解最优值。其虚拟适应度评估过程仅通过非支配排序获得并评估所有遗传个体的Pareto排序值从而不断接近最优解集前沿，而不能评估不同级别个体周围的种群密度信息，从而有时会出现优化趋势不同的个体仍然具有相同的繁殖后代机会，这样就降低了优化效率。另外，对于解决基于复杂工程案例构造的庞大多目标优化问题，尤其对于目标函数不能直接由设计变量解析得到的优化问题，该方法诉诸大量的遗传运算从而使设计效率大大降低，不适应于非API螺纹密封面的优化设计。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明所要解决的技术问题是提供一种非API螺纹密封面优化设计方法用于提高设计质量，降低设计成本。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种非API螺纹密封面优化设计方法，包括如下的步骤：
(1)基于响应面法建立优化设计模型，包括：以多个典型极限工况载荷点的密封面密封性定量要求构造优化目标函数，以非均匀B样条曲线描述内、外螺纹的密封面形状，以非均匀B样条曲线的特征多边形控制顶点坐标为优化设计变量，以油套管密封面直径参数范围要求以及满足密封面接触过盈上限要求确定优化设计变量的约束条件，运用有限元数值模拟建立密封面密封性目标函数和不同密封面形状设计变量之间的联系，即通过大量的数值模拟构造一系列用于评估响应函数的试验数据点；
(2)采用基于稳健设计方法改进的非支配排序遗传算法对建立的优化设计模型进行多目标优化，求出Pareto最优解集合；
(3)从油套管实际服役工况条件出发，根据具体的适用性设计要求选择最优解。
在上述方案中所述构造优化目标函数满足以多个典型极限载荷点的密封面实际接触压力与70％材料屈服强度之间的差值最小，即
F(P)＝min(P-70％σs)
式中，P为密封面实际接触压力，σs为材料屈服强度；
密封面形状控制点的坐标表示为(x，y)；
进一步地约束条件满足两个条件，条件(1)油套管密封面直径参数范围满足：
d1≤d≤d2，D1≤D≤D2
式中，d为外螺纹密封面最大直径，d1为外螺纹密封面最大直径的下限，d2为外螺纹密封面最大直径的上限，D为内螺纹密封面最小直径，D1为内螺纹密封面最小直径的下限，D2为内螺纹密封面最小直径上限，d与D均可由曲线控制点坐标表示；
条件(2)满足密封面接触过盈上限要求，即密封面接触压力需小于等于95％材料屈服强度，公式为：
P≤95％σs。
上述的技术方案中建立响应面模型的主要步骤包括：运用有限元数值模拟建立不同密封面形状设计变量和密封面密封性目标函数之间的联系，即通过大量的数值模拟构造一系列用于评估响应函数的试验数据点。选择响应面逼近函数模型，基于试验结果构造近似响应曲面函数并进行显著性检验和优化计算。
进一步地本发明采用基于稳健设计方法改进的非支配排序遗传算法对目标函数进行多目标优化，求出Pareto最优解集合，步骤具体为：根据非支配排序遗传算法的优化设计思想，过程包括遗传编码生成、随机初始种群确定、适应度评估以及选择、交叉、变异等子代种群计算。其中适应度评估过程中原有的算法采用Pareto排序策略，虽然可以通过非支配排序获得并评估所有遗传个体的Pareto排序值从而不断接近最优解集前沿，但是不能评估不同级别个体周围的种群密度信息，从而有时会出现优化趋势不同的个体仍然具有相同的繁殖后代机会，这样就降低了优化效率。针对原算法的这一不足，基于稳健设计方法进行改进，即除了对个体的Pareto排序值进行评估外，还通过引入个体变量和Pareto排序值的均值和标准差来评估优化趋势对个体周围种群密度信息的敏感性，使个体的下代遗传远离种群不活跃的区域，并减小适应度评估值的偏差，增加了优化迭代的可靠性和稳健性，从而减少遗传运算的次数，提高优化计算效率。
进一步地本发明根据求出的Pareto最优解集合，从油套管实际服役工况条件出发，根据具体的适用性设计要求从Pareto最优解集合中选择最优解。
本发明具有如下的优点：
1，构造含有多目标、多变量和约束条件的优化设计问题开展非API螺纹内、外螺纹密封面形状优化设计，保证其在不同服役工况条件下始终保持要求的啮合接触压力。这种全新的非API螺纹密封面优化设计方法面向油套管服役条件，有针对性的精确控制了螺纹接头的密封完整性。
2，本发明基于有限元数值模拟并运用响应面法建立优化设计模型，兼顾设计的精度和效率。
3，本发明采用改进的非支配排序遗传算法，对所建立的优化模型进行多目标优化计算，求出Pareto最优解集合。增加了计算过程的可靠性和稳健性，并提高了计算效率。
附图说明
图1为本发明非API螺纹密封面结构图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明非API螺纹密封面油套管复合加载的载荷点示意图；
图4为应用本发明方法优化后得到的密封面接触应力分布图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、密封面，11、外螺纹，12、内螺纹，2、非均匀B样条曲线，3、特征多边形顶点，21、95％屈服应力椭圆，22、100％屈服应力椭圆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种非API螺纹密封面优化设计方法，主要包括如下的步骤：
(1)基于响应面法建立优化设计模型，建立优化设计模型的步骤包括：以多个典型极限工况载荷点的密封面密封性定量要求构造优化目标函数，以非均匀B样条曲线描述内、外螺纹的密封面形状，以非均匀B样条曲线的特征多边形控制顶点坐标为优化设计变量，以油套管密封面直径参数范围要求以及满足密封面接触过盈上限要求确定优化设计变量的约束条件，运用有限元数值模拟建立密封面密封性目标函数和不同密封面形状设计变量之间的联系，通过数值模拟构造一系列用于评估目标函数的试验数据点；
(2)采用基于稳健设计方法改进的非支配排序遗传算法对建立的所述优化设计模型进行多目标优化，求出Pareto最优解集合；
(3)从油套管实际服役工况条件出发，根据具体的适用性设计要求选择最优解。
上述步骤(1)还包括根据试验数据点基于试验结果构造近似响应曲面函数，并对响应曲面函数进行显著性检验和优化计算。
上述步骤(2)中基于稳健设计方法改进的非支配排序遗传算法对建立的所述优化设计模型进行多目标优化包括适应度评估过程中对个体的Pareto排序值进行评估，同时通过引入个体变量和Pareto排序值的均值和标准差来评估优化趋势对个体周围种群密度信息的敏感性。
下面结合实施例对本发明方法进行详细地说明：
实施例
如图1所示，为采用本发明非API螺纹密封面优化设计方法于一种非API螺纹密封面结构图，其中外螺纹11、内螺纹12的金属对金属密封面相啮合后，应保持一定的过盈接触压力。用非均匀B样条曲线2描述密封面1的形状，以描述内外螺纹密封面形状的非均匀B样条曲线的控制点坐标为设计变量(提取样条曲线的特征多边形顶点3的坐标)作为优化设计变量。内、外螺纹分别采用4个控制点为例，即内螺纹采用d1(x1，y1)，d2(x2，y2)，d3(x3，y3)，d4(x4，y4)作为控制点，外螺纹采用d5(x5，y5)，d6(x6，y6)，d7(x7，y7)，d8(x8，y8)作为控制点。
图2为本发明方法的流程图，采用非均匀B样条曲线描述内、外螺纹的密封面形状，本实施例中选用能控制其形状的4个特征多边形顶点坐标作为优化设计变量(对应步骤S21)。针对油套管在不同拉伸、压缩和内压复合加载时95％Mises屈服应力载荷点的密封面接触压力设计要求(即密封面实际接触压力与70％材料屈服强度之间的差值最小)作为目标进行优化。如图3所示，本发明非API螺纹油套管复合加载的载荷点示意图，95％屈服应力椭圆21，100％屈服应力椭圆22，对预设计密封面结构的油套管在实际工况中通常承受的拉伸、压缩和内压复合加载条件的载荷点1至6(此典型极限载荷点选取参考《ISO13679-2002石油和天然气工业套管和油管连接的测试程序》)时的密封接触压力要求构造6个目标函数(对应步骤S22)。
根据几何和接触压力范围多边界约束条件定义约束条件(对应步骤S23)，优化设计变量的约束条件为：油套管密封面直径参数范围要求，即外螺纹密封面最大直径d和内螺纹的密封面最小直径D满足其下限、上限范围要求，即：
d1≤d≤d2，D1≤D≤D2
式中，d为外螺纹密封面最大直径，d1为外螺纹密封面最大直径的下限，d2为外螺纹密封面最大直径的上限，D为内螺纹密封面最小直径，D1为内螺纹密封面最小直径的下限，D2为内螺纹密封面最小直径上限；
另一个约束条件为满足密封面接触过盈上限要求，即密封面接触压力需小于等于95％材料屈服强度，表达式：
P≤95％σs。
上述步骤中对应的密封面样条曲线描述多优化设计变量定义(步骤S21)、密封面接触压力多目标函数构造(步骤S22)以及几何和接触压力范围多边界约束条件施加(步骤S23)之间并无先后逻辑上的顺序。
接下来根据上述建立的目标函数以及约束条件运用有限元数值进行模拟建立不同密封面形状设计变量和密封面密封性目标函数之间的联系，即通过大量的数值模拟构造一系列用于评估响应函数的试验数据点(对应步骤S24)。选取适当的响应面逼近函数模型即运用响应面方法的运用(对应步骤S25)，基于试验结果构造近似响应曲面函数即根据有限元数值建立的评估响应函数的试验数据点建立优化设计模型(对应步骤S26)并进行显著性检验和后续优化计算。
对建立的多目标、多设计变量及约束条件的优化模型，采用改进的非支配排序遗传算法进行优化计算本实施例中采用改进的NSGA-II求解(对应步骤S27)。其中改进的适应度评估过程中，采用6σ水平稳健设计方法对不同级别个体周围的种群密度信息进行评估，使个体的下代遗传远离种群不活跃的区域，减小适应度评估值的偏差，增加优化迭代的可靠性和稳健性。
优化计算求解得到Pareto最优解集合(对应步骤S28)，Pareto最优解集合包括了不同工况条件下的Pareto最优解，实际运用过程当中设计人员根据具体的非API油套管实际服役工况适用性设计要求(例如，选用油套管的抗内压、拉伸等承载能力对不同的井深、气层压力等工况适用性的不同设计要求)选择最优解(对应步骤S29)。
如图4所示，根据某种工况优化后得到的密封面接触应力分布图，由图中可看出在承载条件下密封面和台肩接触部位均保持有较理想的压应力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种非API螺纹密封面优化设计方法，其特征在于，包括如下的步骤：
（1）基于响应面法建立优化设计模型，所述建立优化设计模型的步骤包括：以多个典型极限工况载荷点的密封面密封性定量要求构造优化目标函数，以非均匀B样条曲线描述内、外螺纹的密封面形状，以非均匀B样条曲线的特征多边形控制顶点坐标为优化设计变量，以油套管密封面直径参数范围要求以及满足密封面接触过盈上限要求确定优化设计变量的约束条件，运用有限元数值模拟建立密封面密封性目标函数和不同密封面形状设计变量之间的联系，通过数值模拟构造一系列用于评估目标函数的试验数据点；
所述建立基于响应面法的优化设计模型具体为：
所述构造优化目标函数满足以多个典型极限载荷点的密封面实际接触压力与70%材料屈服强度之间的差值最小，即
F(P)=min(P-70%σs)
式中，P为密封面实际接触压力，σs为材料屈服强度；
密封面形状控制点的坐标用(x,y)表示；
所述约束条件包括：油套管密封面直径参数范围满足：
d1≤d≤d2，D1≤D≤D2
式中，d为外螺纹密封面最大直径，d1为外螺纹密封面最大直径的下限，d2为外螺纹密封面最大直径的上限，D为内螺纹密封面最小直径，D1为内螺纹密封面最小直径的下限，D2为内螺纹密封面最小直径上限；
根据满足密封面接触过盈上限要求，密封面接触压力需小于等于95%材料屈服强度，公式为：
P≤95%σs；
（2）采用基于稳健设计方法改进的非支配排序遗传算法对建立的所述优化设计模型进行多目标优化，求出Pareto最优解集合；
（3）从油套管实际服役工况条件出发，根据具体的适用性设计要求选择最优解。
2.根据权利要求1所示的非API螺纹密封面优化设计方法，其特征在于，步骤（1）还包括根据试验数据点基于试验结果构造近似响应曲面函数，并对响应曲面函数进行显著性检验和优化计算。
3.根据权利要求1所示的非API螺纹密封面优化设计方法，其特征在于，步骤（2）中所述基于稳健设计方法改进的非支配排序遗传算法对建立的所述优化设计模型进行多目标优化包括适应度评估过程中对个体的Pareto排序值进行评估，同时通过引入个体变量和Pareto排序值的均值和标准差来评估优化趋势对个体周围种群密度信息的敏感性。
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