水下控制系统电子模块壳体结构优化及试验验证

基于水下控制系统电子模块(SEM)轻量化的要求,确定了SEM结构方案,并对其耐压壳体进行了结构设计。对SEM壳体的失效模式进行了有限元分析,确定了其失效形式为屈服失效。在此基础上,采用一种基于响应面方程的多目标优化法建立了SEM壳体的响应面方程模型,应用Pareto遗传算法得到了响应面模型方程的全局最优解,从而得到壳体优化后的参数值;最后将所设计的SEM壳体采用优化后的结构尺寸加工制造成实体,并对其进行了高压舱试验验证,结果表明,优化后的SEM壳体质量较优化前降低了24.8%,且满足其在强度和稳定性方面的要求,实现了SEM轻量化的目标。本文研究成果对深水水下控制系统电子模块壳体结构设计具有较好的借鉴意义。     

基于LSTM的水下电子模块温度预测及预警方法

水下电子模块在长期运行中,密闭环境及内部自热现象可能导致其因温度过高而造成性能故障,开展水下电子模块内部温度变化趋势预测及预警研究,对于提高水下控制系统的安全可靠性具有重要意义.基于水下电子模块内部温度传感器的失效模式与机理特征,采用深度学习网络模型超参数网格优化方法,提出了一种基于长短期记忆网络(LSTM)的水下电子...     

基于ANSYS Workbench的海洋模块钻机基座多目标优化设计北大核心CSCD

针对海洋平台模块钻机基座焊接工艺复杂、焊接变形不易控制等问题,以渤海某7000m模块钻机为例,基于API等相关规范,通过ANSYS Workbench有限元软件构建了基座局部结构响应面模型,以SACS软件对模块钻机进行整体计算提取的杆件内力作为输入条件,采用响应面设计和多目标遗传算法对基座结构尺寸及厚度进行了优化分析,并参考海洋工程结构板材特点给出了设计推荐值,结果表明优化后的基座在降低设计重量的同时其结构强度也满足规范要求。本文优化方法具有较高的经济性与可行性,可用于海洋模块钻机基座等关键结构的优化设计。     

基于ANSYS Workbench的海洋模块钻机基座多目标优化设计

针对海洋平台模块钻机基座焊接工艺复杂、焊接变形不易控制等问题,以渤海某7 000 m模块钻机为例,基于API等相关规范,通过ANSYS Workbench有限元软件构建了基座局部结构响应面模型,以SACS软件对模块钻机进行整体计算提取的杆件内力作为输入条件,采用响应面设计和多目标遗传算法对基座结构尺寸及厚度进行了优化分析,并参考海洋工程结构板材特点给出了设计推荐值,结果表明优化后的基座在降低设计重量的同时其结构强度也满足规范要求。本文优化方法具有较高的经济性与可行性,可用于海洋模块钻机基座等关键结构的优化设计。     

基于响应面方法的海洋修井猫道结构优化分析

海洋平台空间及额定承载能力受限,在用动力猫道存在整机质量及体积过大的问题。为此,以某全液压驱动的举升式海洋修井动力猫道为研究对象,借助虚拟样机技术和响应面优化设计方法,根据动力猫道管柱输送的作业特点,进行动力猫道关键结构的尺寸优化设计与分析。分析结果表明：基于动力学仿真获取动力猫道待优化结构的载荷数据,借助AWE模块建立结构响应面模型,并通过优化算法求解,找到该结构尺寸设计变量的最优组合,完成了结构轻量化改进设计的目标;响应面法得到的海洋修井动力猫道结构尺寸优化设计方案与原始方案相比,各优化结构质量减轻了12.5%～33.0%,同时安全系数大于2.5。所得结论可为海洋平台动力猫道的结构优化和性能提升提供理论依据。     

基于模糊综合评价的水下管汇结构可靠性分析

针对水下管汇结构可靠性研究较少的现状,基于故障树模型和模糊综合评价方法对水下管汇结构进行可靠性分析.首先对水下管汇结构的通用构型进行分析,并确定研究对象;然后通过分析水下管汇所受外部载荷确定了其结构的失效模式,以水下管汇结构失效为顶事件,明确导致顶事件发生的直接原因事件,再逐级演绎,直至找出基本事件,据此建立了水下管汇...     

基于ASME规范的水下高承压壳体结构设计

基于ASMEVIII-2,对于用于深水的水下高承压壳体结构的设计进行了研究。介绍了材料的选择方法及利用按规则设计方法进行设计的具体步骤,得到了仅受横向外压时不同厚度壳体的许用外压,对受轴向和环向组合应力工况下的壳体进行了校核,得到了许用压缩应力。建立了水下承压壳体结构的有限元实体模型,利用ASMEVIII-2中的按分析设计方法进行了弹塑性分析,得到了破坏极限压力和许用外压,数值计算结果和理论计算结果相近,表明该结构设计合理,满足使用要求。     

钻井泵泵体轻量化设计

针对传统优化方法效率低的不足,应用响应面模型方法和多目标遗传算法对某型钻井泵泵体进行了轻量化设计。首先,利用中心复合试验的设计方法,通过在设计空间抽取样本点进行数值模拟,建立了由3个设计参数所决定的泵体的响应面模型。其次,利用多目标遗传算法的循环逼近优化方法对响应面模型进行优化,结合实际从Pareto最优解集中选择1组作为最终优化参数。最后,利用优化参数进行仿真结果验证。仿真结果表明:在泵体前板变形和曲轴轴承座周围变形基本不变的条件下,优化解可使泵体质量减小9%左右。该优化设计方法比传统优化方法更高效,可以将其应用于类似机械结构的优化设计中。     

基于响应面分析的附壁脉冲射流喷嘴优化设计

为了提高附壁脉冲射流喷嘴结构的可靠性,针对某一超深油井井下附壁射流喷嘴,采用中心复合响应面设计与数值模拟方法,以反馈通道直径、附壁夹角和出口直径为优化变量,以射流的压力脉动幅值为优化目标,开展了喷嘴结构的优化设计。通过试验与数值模拟结果对比,验证了数值模拟方法的可靠性。对响应面结果的拟合回归方程、三维立体图和等高线进行了分析,分析结果表明,出口直径的变化对响应值压力脉动幅值的影响最为明显,较小的出口直径能够获得更大的压力脉动幅值。基于响应面分析结果,得到了优化的附壁脉冲射流喷嘴结构。对优化得到的附壁脉冲射流喷嘴内流场开展数值模拟分析,得到其脉动幅值为0.308 MPa,与响应面模型预测值非常接近,进一步验证了采用中心复合响应面法优化得到的附壁脉冲射流喷嘴结构的可靠性。研究方法与结果可为类似结构的优化设计提供参考。     

S型焊接金属波纹管波片波形优化设计

S型焊接金属波纹管的波片波形结构对波纹管性能影响较大,目前尚无准确表达波形结构对波纹管性能影响的具体设计公式及理论。利用ANSYS Workbench软件建立了直边波形及斜边45°波形这2种S型焊接金属波纹管波片的二维模型,以提高波片压力刚度为优化设计目标,对模型进行静力学分析,确定了需要优化的波形结构参数及其取值范围。调用ANSYS Workbench响应面优化模块,设置优化参数与目标函数,求解得到优化设计后的波片波形结构参数数值。优化设计前后波纹管波片的应力分布和压力刚度对比表明,优化设计后的波片具有更高的压力刚度及更小的应力,优化后的斜边45°波形波片的力学性能更优。     

电力载波通信在水下生产控制系统的应用

目前国内对水下生产控制系统电力载波通信衰减测试方法及衰减模型的研究较少,以文昌10-3油田为设计目标油田,对串联模型、对称模型、整体模型等3种通信衰减模型进行仿真分析,发现整体模型的信号衰减最大。运用整体模型对目标油田电力载波通信进行分析,得到项目载波机关键技术参数,为水下生产控制系统电力载波通信模块的选型提供参考。     

牙轮钻头单金属密封数值模拟与优化

针对钻井过程中牙轮钻头金属密封磨损严重、对井底振动比较敏感的问题,利用有限元软件对高压工况下的单金属动密封进行数值模拟,在此基础上利用逆解法对动密封面的泄漏率进行求解。结合正交实验设计确定出优化变量,采用Box-Behnken实验方法建立了单金属密封优化响应面模型,最后采用罚函数寻优法建立基于泄漏率最小的优化模型,并优化了密封的结构参数。结果表明,优化后单金属密封的性能得到了有效的改善,密封泄漏量得到降低,端面接触压力分布更加均匀,同时,验证了响应面优化法在单金属密封接触压力及泄漏量优化中具有可行性。     

海上油气田水下立式采油树生产通道流动规律及结构优化

水下采油树中油气流动的通道很多,流体对生产通道壁面的冲蚀会导致其失效。借助CFD(计算流体力学)软件研究生产通道模型的冲蚀特征,并应用BP神经网络对CFD模拟得出的数据进行训练和预测,再将上述BP神经网络模型并入遗传算法GA中,从而建立起基于GA–BP的过流通道结构优化模型,以最大冲蚀率的极小值为优化目标对生产通道进行结构优化,以延长其使用寿命。     

压缩机级间冷却器异形铸铁壳体应力分析与结构优化

针对铸铁制造的冷却器异形壳体设计中存在的规则设计方法过于保守问题，改用有限元分析方法进行冷却器异形壳体的结构强度分析。在满足结构强度的条件下，采用ANSYS参数化设计，以加强筋的高度和厚度、筒体厚度、平板厚度作为优化变量，以质量最小作为优化设计的目标函数，对冷却器异形壳体进行结构优化设计。有限元分析结果表明，结构优化后的冷却器异形壳体质量减少了23.35%，达到了结构轻量化和节约成本的目的。     

基于响应面模型的螺旋迷宫泵结构优化

针对螺旋迷宫泵效率偏低的问题,以迷宫泵的效率、轴功率和扬程为目标函数,以泵的结构参数为优化参数,建立了基于试验设计和响应面估值的螺旋迷宫泵结构优化模型。首先通过尺寸关联性将迷宫泵的结构参数进行合理简化,将16个设计参数简化为11个,然后进行参数灵敏度分析确定需要优化的9个重要结构参数。采用优化空间填充设计法对优化参数进行组合生成样本点。最后通过神经网络型响应面和多目标遗传算法对螺旋迷宫泵进行结构优化,并在符合条件的结构参数组合中,根据实际需求选取其中一个作为优化结果的最终解。研究结果表明,螺旋迷宫泵定子和转子的结构参数之间存在交互性影响,相较于原模型,优化后的迷宫泵效率提升了90.06%,扬程提升了77.34%。研究结果可为螺旋迷宫泵结构的进一步优化提供参考。     

基于贝叶斯网络的水下采油树系统剩余寿命预测

针对水下采油树系统事故频发且相关数据不易获得的问题,基于贝叶斯网络将水下采油树系统划分为水上部分、水下部分和FPSO 3个模块,考虑不同模块间的相互依赖性关系,结合突发失效与正常的退化趋势,建立了水下采油树系统的剩余寿命预测模型,分析相应的模块可靠性,结合失效阈值对剩余寿命进行了预测。结果表明,水下采油树系统的整体可靠性低于任一模块的可靠性,其退化过程先快后慢,并大体呈指数分布;高强度的突发失效将使系统失效过程加速,进而减少设备的剩余寿命,考虑相互依赖性的设备剩余寿命明显低于不考虑相互依赖性时的剩余寿命。     

基于模糊故障树的水下生产系统可靠性分析

开展基于模糊故障树的水下生产系统可靠性分析。分析水下生产系统的工作原理和结构组成,自上而下建造故障树模型;采取上行法对系统进行定性分析确定最小割集;利用梯形模糊数对系统进行模糊定量分析,得出系统模糊失效概率和基本事件模糊重要度。通过分析结果可找出系统的薄弱环节,对其采取措施进行重点防御保护和定时监测维护,也可指导水下生产系统的优化改进。     

水下控制模块锁紧结构分析及建议

水下控制系统是深水油气开发的核心系统,水下控制模块则是水下控制系统中的关键设备,国内对此正在进行初步研究。锁紧结构是水下控制模块的核心部件,在运输、安装和回收等过程中起着重要作用。分析了4种国外在役水下控制模块锁紧结构,总结了其主要组成结构、工作原理及各自优缺点,对国内在此方面的研究给出了建议。     

全电式水下阀门执行器设计及多电机同步控制策略研究

通过对全电式水下控制系统的研究,参考国外的相关产品,完成了全电式水下阀门执行器的结构设计,为了增加阀门执行器的可靠性,提出采用多电机冗余的方式驱动阀门。通过对多电机冗余驱动控制方法的研究,提出了一种基于遗传算法对时间误差积分进行优化的模糊PID控制方法,并引入了置信度对计算过程进行了优化,缩短了寻优的计算量,最终实现了多电机同步控制。利用Adams建立了阀门执行机构的动力学模型,使用Simulink对阀门不同的工作情况下的响应进行了联合仿真,结果表明本文设计的多电机冗余驱动的全电式水下阀门执行器可以实现对全电式水下阀门的冗余驱动,满足全电式水下阀门执行器的工作要求。     

基于Multisim的复合电液控制系统EPU电压极值分析

水下生产复合电液控制系统作为深水油气田油气生产输出的重要模块,为了保障控制系统的可靠运行,本文首先比较分析Multisim与Matlab、Simulation X三款常用电路仿真软件的功能特性,建立了基于Multisim软件的水下生产控制系统电力仿真模型,结合实际工程应用中已知的脐带缆长度及其横截面,计及水下控制模块（SCM）的工作电压范围以及重载、轻载状态下的功率大小,仿真分析得到水下控制系统供电系统电压降落情况,并最终求解得到使SCM均能工作在规定电压范围时电力供应单元（EPU）供电电压的极大值、极小值。