[发明专利]一种非API螺纹密封面优化设计方法

说明书

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 elitist multi-objective genetical gorithm：NSGA-II，IEEE Transactions on Evolutionary 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％σ_s)

式中，P为密封面实际接触压力，σ_s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：