[發明專利]一種基于有限元的高壓膠管結構優化設計方法

在審

• 申請號: 201810616916.8
• 申請日: 2018-06-15
• 公開（公告）號: CN108804837A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 朱紅衛;陳國明;孟祥坤;王斌;陳國星;張國棟;王芳
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）;山東龍口特種膠管有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于有限元的高壓膠管結構優化設計方法，包括步驟S1利用ANSYS建立參數化有限元模型；步驟S2設定設計、狀態變量的取值范圍，確定優化設計目標函數；步驟S3選擇迭代算法，進行優化計算；步驟S4根據優化設計結果，修正各加工工藝參數，使其具有更好的實際操作性；步驟S5實驗驗證優化設計方案的合理性。本發明基于有限元模型的高壓膠管優化設計方法，可以為不同型號和工作壓力的高壓膠管提供一種參數化和理論化的設計方法，使得各型號膠管能夠批量化設計和生產，可降低傳統經驗設計方法的盲目性，提高膠管承壓均勻性，縮短設計周期，降低設計成本，提高設計效率。

技術領域

本發明涉及一種高壓膠管結構優化設計方法，尤其涉及一種基于有限元的高壓膠管結構優化設計方法，屬于高壓膠管生產技術領域。

背景技術

高壓膠管廣泛應用于海洋石油鉆采、節流壓井和升沉補償裝置中，其結構主要由內膠層、增強層(鋼絲/橡膠復合層)和外膠層組成，具備柔性、耐高壓、耐腐蝕和耐高溫等特性，但也存在著重量大、成本高及承壓不均的問題。

現有的高壓鋼絲纏繞膠管設計方法還存在多種不足與缺陷，設計之前缺乏對膠管各層結構的系統性分析與理論計算，設計時僅考慮纏繞角度或管壁厚度等單一因素，未綜合考慮各結構參數對整體優化效果的影響，不能有效解決現有膠管重量大、成本高及承壓不均的問題。如何通過優化高壓膠管設計方法，使膠管在不影響其結構強度和承壓均勻性的前提下達到減輕膠管重量、降低成本的目的，是設計人員所亟需解決的問題。

發明內容

本發明針對現有技術不足，通過建立高壓膠管參數化有限元模型，決定設計變量、狀態變量和目標函數，選擇迭代算法，進行優化計算，根據優化設計結果確定加工工藝，最終確定設計方案的合理性。提出一種基于有限元的高壓膠管結構優化設計方法，用以解決現有技術中的缺陷。

本發明提出了一種基于有限元的高壓膠管結構優化設計方法，主要包括以下步驟：

步驟S1：建立高壓膠管參數化有限元模型

先確定膠管型號及工作壓力；

再確定鋼絲和橡膠材料參數；

最后確定鋼絲纏繞密度、纏繞角度、直徑、纏繞行程、各膠層厚度。

步驟S2：決定設計變量、狀態變量和目標函數；

設計變量：采用參數化設計思想，即用一組參數來約定結構關系，然后通過改變參數達到改變管材結構形狀的目的。通過對膠管性能產生影響的各個結構參數的分析，選取以下五個尺寸參數作為設計變量：鋼絲纏繞角度、鋼絲根數、鋼絲直徑、內膠層厚度和中膠層厚度；

鋼絲纏繞角度：纏繞鋼絲與膠管軸向的夾角，生產中可通過改變牽引機的牽引速度和鋼絲纏繞機組的旋轉速度進行調整；纏繞角的過大或過小均導致鋼絲的菱形網格不斷被拉長，影響鋼絲與橡膠的結合，當纏繞角度過大時，相同條件下鋼絲軸向應力小，對膠管環向的增強作用較強，而軸向增強作用則較弱，反之則相反；

鋼絲根數：纏繞鋼絲的總根數，生產中通過改變鋼絲纏繞機組鋼絲纏繞盤的數量進行調整；鋼絲纏繞根數由纏繞密度、纏繞角度和鋼絲直徑共同決定。鋼絲根數受到纏繞加工工藝的限制，當鋼絲根數過少時，鋼絲受力不均勻；當鋼絲根數過多時，纏繞機組的加工條件會受到限制；

鋼絲直徑：根據國標GB/T 11182—2006《橡膠軟管增強用鋼絲》選擇鋼絲型號，其尺寸與數量與膠管承壓能力直接相關，在纏繞密度一定時，鋼絲直徑直接影響鋼絲根數，從加工工藝角度考慮，鋼絲直徑不宜過大或過小；

內膠層厚度：內膠層厚度為內層橡膠和油簾膠布的厚度之和，內層橡膠影響密封性能，其厚度不宜過小，否則在接頭與芯桿接觸的密封部位容易壓斷；

中膠層厚度：中膠層厚度為鋼絲/橡膠復合層中相鄰兩層鋼絲之間橡膠的厚度，橡膠的作用為阻止相鄰兩鋼絲層之間的摩擦；