[發(fā)明專利]一種非API螺紋密封面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210008760.8
• 申請(qǐng)日: 2012-01-12
• 公開（公告）號(hào): CN102609566A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王鵬;胡美娟;申昭熙;李磊;馮春;宋生印;劉文紅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國石油天然氣集團(tuán)公司;中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京市德權(quán)律師事務(wù)所 11302
• 代理人: 劉麗君

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及螺紋密封面優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，具體地來說為一種非API螺紋密封面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

伴隨著高壓氣井勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，具備氣密封能力的非API螺紋油套管得到了愈加廣泛的應(yīng)用，API(American?Petroleum?Institute)是美國石油學(xué)會(huì)的縮寫，滿足美國石油學(xué)會(huì)的規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)油套管稱為API標(biāo)準(zhǔn)油套管，API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的產(chǎn)品包括油管、套管、鉆桿、鉆挺、管線管等，API標(biāo)準(zhǔn)螺紋的油、套管在石油工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已有幾十年之久，至今仍起著十分重要的作用。但是，隨著深井、超深井、高溫高壓等苛刻井況的大量出現(xiàn)，非API標(biāo)準(zhǔn)的特殊扣螺紋油、套管的應(yīng)用也越來越廣泛，并在石油管材的使用中占據(jù)越來越大的比例。對(duì)于通常采用的非API螺紋金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)而言，油套管柱密封完整性的保證依賴于其密封面在各種復(fù)雜工況下始終保持較高的嚙合接觸壓力，因此密封面設(shè)計(jì)是非API螺紋設(shè)計(jì)中的核心部分。傳統(tǒng)的密封面設(shè)計(jì)主要憑借經(jīng)驗(yàn)和類比，通過多次的油套管氣密封實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合反復(fù)再設(shè)計(jì)確定方案，設(shè)計(jì)過程的盲目性和偶然性降低了設(shè)計(jì)質(zhì)量、增加了設(shè)計(jì)成本。將優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于工程實(shí)際問題可顛覆性的改進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和過程。經(jīng)文獻(xiàn)檢索分析，發(fā)現(xiàn)一種非支配排序遺傳算法(源于：Kalyanmoy?Deb，Amrit?Pratap，Sameer?Agarwal，A?fast?and?elitist?multi-objective?genetical?gorithm：NSGA-II，IEEE?Transactions?on?Evolutionary?Computaion，2002，6(2)：182-197)，該方法的特點(diǎn)為：一種基于Pareto策略的多目標(biāo)遺傳算法，一般來說，多目標(biāo)優(yōu)化問題并不存在一個(gè)最優(yōu)解，所有可能的解都稱為非劣解，也稱為Pareto解。傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)一般每次能得到Pareo解集中的一個(gè)，而用遺傳算法來求解，可以得到更多的Pareto解，甚至是整個(gè)的解都成為Pareto解，這些解構(gòu)成了一個(gè)最優(yōu)解集，稱為Pareto最優(yōu)解.它是由那些任一個(gè)目標(biāo)函數(shù)值的提高都必須以犧牲其他目標(biāo)函數(shù)值為代價(jià)的解組成的集合，稱為Pareto最優(yōu)域，簡(jiǎn)稱Pareto集，又稱為有效解。該方法通過隨機(jī)生成父代種群，以特定的虛擬適應(yīng)度值表示，進(jìn)行復(fù)制、雜交、變異等遺傳運(yùn)算生成大量子代種群，利用精英策略構(gòu)造新種群，不斷重復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)求解最優(yōu)值。其虛擬適應(yīng)度評(píng)估過程僅通過非支配排序獲得并評(píng)估所有遺傳個(gè)體的Pareto排序值從而不斷接近最優(yōu)解集前沿，而不能評(píng)估不同級(jí)別個(gè)體周圍的種群密度信息，從而有時(shí)會(huì)出現(xiàn)優(yōu)化趨勢(shì)不同的個(gè)體仍然具有相同的繁殖后代機(jī)會(huì)，這樣就降低了優(yōu)化效率。另外，對(duì)于解決基于復(fù)雜工程案例構(gòu)造的龐大多目標(biāo)優(yōu)化問題，尤其對(duì)于目標(biāo)函數(shù)不能直接由設(shè)計(jì)變量解析得到的優(yōu)化問題，該方法訴諸大量的遺傳運(yùn)算從而使設(shè)計(jì)效率大大降低，不適應(yīng)于非API螺紋密封面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種非API螺紋密封面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法用于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種非API螺紋密封面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下的步驟：

(1)基于響應(yīng)面法建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，包括：以多個(gè)典型極限工況載荷點(diǎn)的密封面密封性定量要求構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以非均勻B樣條曲線描述內(nèi)、外螺紋的密封面形狀，以非均勻B樣條曲線的特征多邊形控制頂點(diǎn)坐標(biāo)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，以油套管密封面直徑參數(shù)范圍要求以及滿足密封面接觸過盈上限要求確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的約束條件，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬建立密封面密封性目標(biāo)函數(shù)和不同密封面形狀設(shè)計(jì)變量之間的聯(lián)系，即通過大量的數(shù)值模擬構(gòu)造一系列用于評(píng)估響應(yīng)函數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(2)采用基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法改進(jìn)的非支配排序遺傳算法對(duì)建立的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，求出Pareto最優(yōu)解集合；

(3)從油套管實(shí)際服役工況條件出發(fā)，根據(jù)具體的適用性設(shè)計(jì)要求選擇最優(yōu)解。

在上述方案中所述構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)滿足以多個(gè)典型極限載荷點(diǎn)的密封面實(shí)際接觸壓力與70％材料屈服強(qiáng)度之間的差值最小，即

F(P)＝min(P-70％σ_s)

式中，P為密封面實(shí)際接觸壓力，σ_s為材料屈服強(qiáng)度；

密封面形狀控制點(diǎn)的坐標(biāo)表示為(x，y)；

進(jìn)一步地約束條件滿足兩個(gè)條件，條件(1)油套管密封面直徑參數(shù)范圍滿足：