CN108804837A

CN108804837A - 一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法

Info

Publication number: CN108804837A
Application number: CN201810616916.8A
Authority: CN
Inventors: 朱红卫; 陈国明; 孟祥坤; 王斌; 陈国星; 张国栋; 王芳
Original assignee: SHANDONG LONGKOU SPECIAL RUBBER HOSE CO Ltd; China University of Petroleum East China
Current assignee: SHANDONG LONGKOU SPECIAL RUBBER HOSE CO Ltd; China University of Petroleum East China
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明公开了一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，包括步骤S1利用ANSYS建立参数化有限元模型；步骤S2设定设计、状态变量的取值范围，确定优化设计目标函数；步骤S3选择迭代算法，进行优化计算；步骤S4根据优化设计结果，修正各加工工艺参数，使其具有更好的实际操作性；步骤S5实验验证优化设计方案的合理性。本发明基于有限元模型的高压胶管优化设计方法，可以为不同型号和工作压力的高压胶管提供一种参数化和理论化的设计方法，使得各型号胶管能够批量化设计和生产，可降低传统经验设计方法的盲目性，提高胶管承压均匀性，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计效率。

Description

一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种高压胶管结构优化设计方法，尤其涉及一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，属于高压胶管生产技术领域。

背景技术

高压胶管广泛应用于海洋石油钻采、节流压井和升沉补偿装置中，其结构主要由内胶层、增强层(钢丝/橡胶复合层)和外胶层组成，具备柔性、耐高压、耐腐蚀和耐高温等特性，但也存在着重量大、成本高及承压不均的问题。

现有的高压钢丝缠绕胶管设计方法还存在多种不足与缺陷，设计之前缺乏对胶管各层结构的系统性分析与理论计算，设计时仅考虑缠绕角度或管壁厚度等单一因素，未综合考虑各结构参数对整体优化效果的影响，不能有效解决现有胶管重量大、成本高及承压不均的问题。如何通过优化高压胶管设计方法，使胶管在不影响其结构强度和承压均匀性的前提下达到减轻胶管重量、降低成本的目的，是设计人员所亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术不足，通过建立高压胶管参数化有限元模型，决定设计变量、状态变量和目标函数，选择迭代算法，进行优化计算，根据优化设计结果确定加工工艺，最终确定设计方案的合理性。提出一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，用以解决现有技术中的缺陷。

本发明提出了一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，主要包括以下步骤：

步骤S1：建立高压胶管参数化有限元模型

先确定胶管型号及工作压力；

再确定钢丝和橡胶材料参数；

最后确定钢丝缠绕密度、缠绕角度、直径、缠绕行程、各胶层厚度。

步骤S2：决定设计变量、状态变量和目标函数；

设计变量：采用参数化设计思想，即用一组参数来约定结构关系，然后通过改变参数达到改变管材结构形状的目的。通过对胶管性能产生影响的各个结构参数的分析，选取以下五个尺寸参数作为设计变量：钢丝缠绕角度、钢丝根数、钢丝直径、内胶层厚度和中胶层厚度；

钢丝缠绕角度：缠绕钢丝与胶管轴向的夹角，生产中可通过改变牵引机的牵引速度和钢丝缠绕机组的旋转速度进行调整；缠绕角的过大或过小均导致钢丝的菱形网格不断被拉长，影响钢丝与橡胶的结合，当缠绕角度过大时，相同条件下钢丝轴向应力小，对胶管环向的增强作用较强，而轴向增强作用则较弱，反之则相反；

钢丝根数：缠绕钢丝的总根数，生产中通过改变钢丝缠绕机组钢丝缠绕盘的数量进行调整；钢丝缠绕根数由缠绕密度、缠绕角度和钢丝直径共同决定。钢丝根数受到缠绕加工工艺的限制，当钢丝根数过少时，钢丝受力不均匀；当钢丝根数过多时，缠绕机组的加工条件会受到限制；

钢丝直径：根据国标GB/T 11182—2006《橡胶软管增强用钢丝》选择钢丝型号，其尺寸与数量与胶管承压能力直接相关，在缠绕密度一定时，钢丝直径直接影响钢丝根数，从加工工艺角度考虑，钢丝直径不宜过大或过小；

内胶层厚度：内胶层厚度为内层橡胶和油帘胶布的厚度之和，内层橡胶影响密封性能，其厚度不宜过小，否则在接头与芯杆接触的密封部位容易压断；

中胶层厚度：中胶层厚度为钢丝/橡胶复合层中相邻两层钢丝之间橡胶的厚度，橡胶的作用为阻止相邻两钢丝层之间的摩擦；

其它参数如胶管钢丝缠绕密度、缠绕节距、胶管计算直径也会对胶管的结构性能产生影响，但可以通过以上参数进行推导，而外胶层主要是保护高压胶管不受外部因素影响，基本上不会承压，所以在高压胶管结构优化设计中对外胶层厚度这一结构参数不予考虑。

状态变量：通过对钢丝缠绕复合管常温爆破试验结果分析得知，当复合管达到爆破时，轴向和切向的应变值均为超过2％，并且试样均是因为钢丝断裂导致破裂，在钢丝断裂之前基体材料并未发生失效。在进行优化设计时，忽略管道两端应力集中的节点，对剩余节点进行排序，提取钢丝最大应力值作为状态变量；

目标函数：在满足强度的前提下，节流压井胶管的成本由使用材料的多少决定，体积越小用料越少、成本也就越低，这里仅考虑钢丝的总体积，把单位长度钢丝体积最小作为优化目标函数：

步骤S3：选择迭代算法，进行优化计算；

优化设计采用零阶方法，最大迭代次数为30次。

步骤S4：根据优化设计结果确定加工工艺。

步骤S5：确认设计方案的合理性。

本发明的优点是：本发明提供的高压胶管结构优化设计方法，在设计之前进行高压胶管各层结构的系统分析和理论计算，通过构建高压胶管参数化有限元模型，综合考虑各结构参数对整体优化效果的影响，为不同型号和工作压力的高压胶管提供了一种参数化和理论化的设计方法，使得各型号胶管能够批量化设计和生产，应用本发明，可降低传统经验设计方法的盲目性，提高胶管承压均匀性，延长了胶管的使用寿命，节约了资源，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计效率，对于指导高压胶管优化设计具有重要的理论和实践意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的高压胶管结构优化设计方法的流程图；

图2为钢丝材料参数拉伸实验图；

图3为高压胶管结构有限元模型图；

图4为高压胶管结构模型约束及载荷施加图；

图5为高压胶管各层钢丝应力分布图；

图6为高压胶管水压爆破试验图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，具体实施方案主要包括如下步骤：

步骤S1：建立高压胶管参数化有限元模型，主要包括：

步骤S11：决定高压胶管型号和工作压力，参照API SPEC 7K-2010确定；

步骤S12：决定胶管钢丝和胶料参数，胶管钢丝型号参照国标GB/T 11182-2006，胶料以丁腈橡胶为主，通过实验测定钢丝和橡胶材料参数，图2；

步骤S13：决定钢丝缠绕密度、缠绕角度、钢丝直径、各胶层厚度以及缠绕行程；

其计算公式为：

其中，X为所设计胶管的缠绕行程；α为缠绕角度；D为计算直径；D_n为胶管内径； N为每层钢丝根数；n为缠绕层数；δ_n为内胶层厚度；δ_c为增强层橡胶厚度；δ_e为外胶层厚度；ρ为缠绕密度；d为缠绕钢丝直径，c′为压扁系数(钢丝为1.0)；

以工作压力为70MPa的高压胶管为例，其结构初始参数见表1；

表1高压胶管结构初始参数表

D_n/mm	n/层	d/mm	α/°	ρ/％	δ_n/mm	δ_c/mm	δ_e/mm	D/mm	N/根	X/mm
											101.6	8	1.8	54.73	92.2	10	0.8	4.25	143.2	133	318

在本实施例中，经图2实验得高压胶管所用钢丝、橡胶材料基本力学参数见表2；

表2钢丝、橡胶材料基本力学参数表

钢丝弹性模量/MPa	钢丝泊松比	橡胶弹性模量/MPa	橡胶泊松比
				2.06E5	0.3	30	0.495

据此建立图3所示的高压胶管结构有限元模型；

选取两端截面节点施加约束，选取胶管内壁节点施加内压载荷，如图4所示；

求解得到未优化前的高压胶管各层应力，如图5所示，其中各层的最大应力由内而外见表3；

表3优化前胶管各层应力值表

1层

2层

3层

4层

5层

6层

7层

8层

2036MPa

1738MPa

1448MPa

1225MPa

1058MPa

933MPa

848MPa

786MPa

步骤S2：决定设计变量、状态变量和目标函数，主要包括：

步骤S21：根据参数独立性原则确定缠绕角度α、增强层橡胶厚度δ_c、内胶层厚度δ_n、钢丝直径d为设计变量；各设计变量的取值范围见表4；

表4设计变量取值范围表

α/°	d/mm	δ_n/mm	δ_c/mm
				50～60	1.2～2.0	8～12	0.6～1.2

步骤S22：根据橡胶和钢丝强度确定状态变量；

根据图2实验测得橡胶和钢丝的强度，即以钢丝屈服强度2029MPa、橡胶断裂强度13MPa为状态变量；

步骤S23：根据材料成本确定目标函数；

以胶管单位长度下所用钢丝用量最少作为优化目标函数，其计算公式为：

其中，i为钢丝层数，f(x)为钢丝所用体积量mm³。

步骤S3：选择迭代算法，进行优化计算；

本实施例中，借助有限元软件中的<OPT>处理器，选择零阶方法进行迭代，最大迭代次数是30次。当迭代计算进行到第15次时，设计变量出现最佳优化组合见表5；

表5设计变量最佳优化组合表

d/mm	α/°	δ_n/mm	δ_c/mm
				1.8mm	57.74°	8mm	0.6mm

根据所选设计变量最优组合结果求取各层最优缠绕角度α及各层最优钢丝根数N；

各层最优缠绕角度α计算公式：

y＝57.3*arctan(x)

dz＝D_n+2*δ_n+(n+1)*δ_c+n*d

dj＝D_n+2*δ_n+2*(δ_c+d)*i-d(i＝1，2,3......n)

其中，y为各层缠绕角度(角度制)，x为各层缠绕角度(弧度制)，dz为计算直径，dj为各层计算直径，i为具体层数，其他参数参考步骤S13。

各层最优缠绕缠绕线数N计算公式：

dz＝D_n+2*δ_n+(n+1)*δ_c+n*d

dj＝D_n+2*δ_n+2*(δ_c+d)*i-d(i＝1，2,3......n)

其中，x为各层缠绕角度(弧度制)，dz为计算直径，dj为各层计算直径，i为具体层数，其他参数参考步骤S13。

表6各层最优缠绕角度及钢丝根数表

层数	1	2	3	4	5	6	7	8
									缠绕角/°	54.3	55.3	56.3	57.3	58.2	59.0	59.8	60.6
根数	114	115	117	118	119	120	121	122

求解得到优化后的高压胶管各层应力，其中各层的最大应力由内而外分别为表7；

表7优化后胶管各层应力值表

钢丝层(由内而外)	1	2	3	4	5	6	7	8
									优化前/MPa	2036	1738	1448	1225	1058	933	848	786
优化后/MPa	1960	1591	1302	1085	924	805	726	669
									降幅/％	3.73	8.46	10.08	11.43	12.67	13.72	14.39	14.89

优化后胶管各层钢丝的最大拉伸应力由最内层的2036MPa递减至最内层的1960MPa，低于钢丝屈服强度2029MPa；最外层钢丝的应力为最大应力的34％，远小于优化之前的45％，承压均匀性明显提升；

经目标函数公式计算得优化后的胶管单位长度下的钢丝用量为562.3mm³，远低于优化前585.8mm³的用量，降幅达到4.1％，实现胶管重量和材料成本的大幅降低。

步骤S4：根据优化设计结果确定加工工艺；

通过缠绕成型机，控制缠绕盘转速、牵引速度和缠绕行程对设计方案进行加工，计算公式为：

其中：m为缠绕盘转速，V为牵引速度。

步骤S5：确认设计方案的合理性；

根据水压试验和爆破试验验证设计方案的合理性，图6。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：利用ANSYS建立参数化有限元模型；

步骤S2：设定设计、状态变量的取值范围，确定优化设计目标函数；

步骤S3：选择迭代算法，进行优化计算；

步骤S4：根据优化设计结果，修正各加工工艺参数，使其具有更好的实际操作性；

步骤S5：实验验证优化设计方案的合理性。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1利用ANSYS建立参数化有限元模型，包括以下步骤：

步骤S12：决定胶管钢丝和胶料参数，胶管钢丝型号参照国标GB/T 11182-2006，胶料以丁腈橡胶为主，通过实验测定钢丝和橡胶材料参数；

步骤S13：决定钢丝缠绕密度、缠绕角度、钢丝直径、各胶层厚度以及缠绕行程，其计算公式为：

式中，X为所设计胶管的缠绕行程；α为缠绕角度；D为计算直径；D_n为胶管内径；N为每层钢丝根数；n为缠绕层数；δ_n为内胶层厚度；δ_c为增强层橡胶厚度；ρ为缠绕密度；d为缠绕钢丝直径；c′为压扁系数(钢丝为1.0)。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，其特征在于，设定设计、状态变量的取值范围，确定优化设计目标函数，包括以下步骤：

步骤S21：根据参数独立性原则确定缠绕角度、钢丝直径、内外胶层厚度为设计变量，范围分别为缠绕角度45°～60°、钢丝直径1.2mm～2.2mm、内胶层厚度4.5mm～10mm、增强层橡胶厚度0.6mm～1.2mm；

步骤S22：根据橡胶和钢丝强度确定状态变量，根据拉伸实验测得橡胶的屈服强度和钢丝的断裂强度；

步骤S23：根据材料成本确定目标函数。

式中，i为钢丝所在的层数。

4.根据权利要求1所述的一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3中优化设计算法，通过有限元软件选择零阶方法、一阶方法、随机搜索法、等步长搜索法、乘子计算法和最优梯度法。

5.根据权利要求1所述的一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤S4根据优化设计结果，修正各加工工艺参数，使其具有更好的实际操作性，工艺参数包括缠绕盘转速、牵引速度和缠绕行程，计算公式为：

式中，M为缠绕盘转速，转/min；V为牵引速度。

6.根据权利要求1所述的一种基于有限元的高压胶管结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤S5实验验证优化设计方案的合理性，实验包括水压试验和爆破试验。