基于工程約束的傳感油管自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)

段成剛，谷朝臣，胡 潔，彭穎紅

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院 機(jī)電設(shè)計(jì)與知識工程研究所，上海 200240）

0 引言

傳感油管是一種石油裝備，工作在油層之下，是傳感器的載體。它兩端連接標(biāo)準(zhǔn)油管，本身是原油的傳遞通道，有油管最基本的功能。它所承載的傳感器可以將原油的溫度壓力等信息傳遞到地面上來，幫助工程人員對油層下的狀況做出判斷。

傳感油管的設(shè)計(jì)非常耗時(shí)，因?yàn)閭鞲杏凸墚a(chǎn)品有以下兩個(gè)特點(diǎn)。第一個(gè)特點(diǎn)是傳感油管長期工作在油層之下，工作環(huán)境惡劣。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須保證它在這樣的工作環(huán)境下不發(fā)生失效等問題，否則可能造成巨大的損失。為保證它工作的安全穩(wěn)定，對每一個(gè)新的傳感油管設(shè)計(jì)都需要進(jìn)行有限元計(jì)算，分析它在外部載荷作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。如果應(yīng)力超過了材料的屈服極限，那么就需要對初始的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。之后重新進(jìn)行有限元計(jì)算，直到滿足強(qiáng)度條件為止。第二個(gè)特點(diǎn)是多品種、小批量、定制式?，F(xiàn)實(shí)中每一口油井的具體開采狀況不同，所選取的開采裝備不同，所需傳感油管的尺寸、材料和特征等也就不同，時(shí)常需要定制新的傳感油管。

但同時(shí)，傳感油管的設(shè)計(jì)有較為條理的規(guī)則，有大量的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。這就使得建立自動化設(shè)計(jì)系統(tǒng)成為可能。而自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以幫助設(shè)計(jì)工程師節(jié)約大量時(shí)間，更快速的響應(yīng)客戶的需求。

自動化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是專家系統(tǒng)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。專家系統(tǒng)是模擬人類專家進(jìn)行決策制定的計(jì)算機(jī)人工智能系統(tǒng)。自二十世紀(jì)七十年代中期第一個(gè)成功的專家系統(tǒng)DENDRAL開始，它被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、地質(zhì)、化學(xué)、氣象、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。

已有很多學(xué)者對自動設(shè)計(jì)類專家系統(tǒng)理論進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)類專家系統(tǒng)分為創(chuàng)造設(shè)計(jì)、革新設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組合設(shè)計(jì)、選型設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)這七種類型。傳感油管自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要涉及選型設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)。在問題解決方法方面，張煜東[4]等認(rèn)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、基于經(jīng)驗(yàn)知識、問題的求解由獨(dú)立的操作構(gòu)成的設(shè)計(jì)系統(tǒng)適合用基于規(guī)則的方法解決。在具體應(yīng)用方面，也已經(jīng)有一些實(shí)際的案例。侯建洪[5]針對起重機(jī)主臂設(shè)計(jì)周期長的問題，建立了一套參數(shù)化建模分析系統(tǒng)。趙賽[3]等通過對設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘來獲取關(guān)聯(lián)規(guī)則知識，據(jù)此建立基元模型，并將其應(yīng)用到了大型水輪機(jī)的選型方案設(shè)計(jì)中。車林仙[6]等構(gòu)造了面向工程約束優(yōu)化問題的混合離散差分進(jìn)化算法(HDDESPF)，并將其應(yīng)用到二級斜齒圓柱齒輪減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)上。

以往的自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)大都只針對設(shè)計(jì)過程中的某單一方面，比如專門針對參數(shù)化建模或者專門針對優(yōu)化，不能實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品描述到最終設(shè)計(jì)的完整過程。本文針對這個(gè)問題，提出了結(jié)合工程約束和規(guī)則推理的自動設(shè)計(jì)方法。

圖1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示是傳感油管自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)的架構(gòu)圖，描述的是從最初的輸入到最終輸出的過程，即從“模型描述”到“設(shè)計(jì)結(jié)果”的過程。系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，參數(shù)化模塊負(fù)責(zé)參數(shù)化模型數(shù)據(jù)庫的建立和設(shè)計(jì)過程中模型的選??；優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)對參數(shù)化模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；工程約束模塊提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中必須滿足的工程約束。

由于研究對象是實(shí)際產(chǎn)品，必然受到實(shí)際條件的限制。該系統(tǒng)架構(gòu)也是現(xiàn)有技術(shù)限制下的產(chǎn)物。

系統(tǒng)必須保證新系統(tǒng)的兼容性。原建模軟件的有限元分析功能并不強(qiáng)大。但大量的產(chǎn)品圖紙和模型是建立在原有的機(jī)械建模軟件平臺上的。為保證對它們的兼容性，在參數(shù)化建模模塊中將原有的模型和圖紙參數(shù)化。并將設(shè)計(jì)模塊中參數(shù)化建模與工程約束中的有限元分析分開，設(shè)計(jì)模塊間的通信接口，將數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化模型和有限元模塊聯(lián)系起來。

系統(tǒng)參數(shù)化模型庫必須手工建立。因?yàn)楝F(xiàn)有建模軟件大多只能做到對參數(shù)化模型進(jìn)行自動修改，而沒有自動化建模的功能。所以初始的參數(shù)化模型庫需要手動建立，以供設(shè)計(jì)階段的選取。好在傳感油管的類型有限，而且相互間有特征上的重疊，手動建立模型庫是可以實(shí)現(xiàn)的。

2 參數(shù)化模塊

參數(shù)化模塊是自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。有了參數(shù)化模型才可能實(shí)現(xiàn)自動設(shè)計(jì)。本節(jié)首先對傳感油管的不同型號進(jìn)行分類描述，然后對每一類建立參數(shù)化模型。以得到參數(shù)化模型數(shù)據(jù)庫。

2.1 分類與選型

可根據(jù)傳感器槽、側(cè)壁特征和螺紋型號等的不同分為很多型號。比如單傳感槽、雙傳感槽，平面?zhèn)缺?、非平面?zhèn)缺?，以及各個(gè)不同類型的螺紋等。用這些特征建立傳感油管的描述，如“<油管尺寸>-<材料>-<傳感槽型號>-<側(cè)壁特征>-<螺紋型號>”。這種描述和傳感油管產(chǎn)品是一一對應(yīng)的關(guān)系，即有且僅有一款傳感油管符合這個(gè)描述。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，按照訂單中的模型描述提取出各個(gè)特征的型號，再據(jù)此到參數(shù)化模型數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行索引匹配。由于參數(shù)模型的尺寸可變，并且材料不是參數(shù)模型中的參數(shù)，索引時(shí)不需要提取尺寸和材料這兩項(xiàng)特征，只需提取形狀特征用于匹配。

2.2 參數(shù)化模型

這里以最簡單的單傳感器平面?zhèn)缺谛蜑槔榻B傳感油管參數(shù)化模型的建立。

圖2 縱剖面圖

傳感油管的剖面如圖2所示，其中兩端l1、l7為與油管連接部分，l2、l6為過渡部分，l4段為承載傳感器的部分。截面如圖3所示，對應(yīng)圖2中的l4段。它被設(shè)計(jì)為一個(gè)有凹槽的偏心管。偏心的設(shè)計(jì)可以讓它的外徑盡可能的小，以匹配更多的油井，同時(shí)減少用料。凹槽的部分用來承載并保護(hù)傳感器。

圖3為截面圖。圖中共有兩個(gè)直徑，內(nèi)徑d1和外徑d2；三處壁厚，凹槽處壁厚d3，平面處壁厚d4，底部壁厚d5；槽寬為d6。其中，內(nèi)徑d1和槽寬d6為確定值，分別由油管的尺寸和傳感器的尺寸確定，其余均為待定值。

圖3 橫截面圖

3 工程約束模塊

工程約束[6]模塊是優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的輔助模塊。只有在正確的約束下，才能設(shè)計(jì)出安全的產(chǎn)品。工程約束的結(jié)構(gòu)如圖4所示。約束用符號E表示，它代表的是符合給定條件的參數(shù)集合。

圖4 工程約束

圖4中設(shè)計(jì)約束E1主要指實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能所必須的參數(shù)約束。比如匹配的標(biāo)準(zhǔn)油管尺寸St決定其內(nèi)徑d1范圍，套管尺寸Sc決定其的外徑d2的范圍；傳感槽槽高h(yuǎn)必須大于傳感器的高度以保護(hù)傳感器等。其形式化表示如下：

干涉約束E3是指參數(shù)在變化過程中不能干涉到其它特征，比如外徑尺寸的變化有可能會導(dǎo)致一些固定用的螺孔被切到。而標(biāo)準(zhǔn)約束E4是指一些尺寸要符合特定標(biāo)準(zhǔn)，比如內(nèi)徑要符合相關(guān)螺紋標(biāo)準(zhǔn)等。干涉約束和標(biāo)準(zhǔn)約束的形式化表示與設(shè)計(jì)約束的類似，不再贅述。

強(qiáng)度約束E2指的是傳感油管必須滿足的強(qiáng)度條件。根據(jù)油管標(biāo)準(zhǔn)，傳感油管在油層下可能受到的力分為兩組，一組是為因油管內(nèi)與油管外的壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的內(nèi)外壁壓力，另外一組為由相鄰油管間作用力導(dǎo)致的軸向壓力與拉力。油管在井下的工況由這兩組力組合而成。傳感油管應(yīng)能滿足在任意的工況下都能保持正常的工作。實(shí)際設(shè)計(jì)中不可能對所有載荷組合都進(jìn)行驗(yàn)證。為方便實(shí)驗(yàn)與仿真，只需驗(yàn)證其中具有代表性的幾個(gè)組合即可。

圖5 載荷示意圖

剛度約束E2的形式化表示如下：

對于最終的設(shè)計(jì)結(jié)果，需要多選取幾種工況進(jìn)行驗(yàn)證。但由于有限元計(jì)算非常耗時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中僅僅選擇最具代表性的幾個(gè)點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最關(guān)鍵的工況有四種，即僅受軸向拉力、內(nèi)壁壓強(qiáng)、軸向拉力、外壁壓強(qiáng)，如圖5所示。而這四種工況中，僅受軸向拉力和僅受軸向壓力的這兩種工況的有限元分析結(jié)果幾乎完全一致，實(shí)際運(yùn)算中只考慮其中一種即可。綜上，為了提高計(jì)算效率，在做有限元分析時(shí)只需考慮僅有軸向拉力、內(nèi)壁壓強(qiáng)、外壁壓強(qiáng)這三種工況。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊

優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊是整個(gè)自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)的中樞。這里首先建立優(yōu)化模型，再給出優(yōu)化中所需規(guī)則的表示與提取方法，最后通過一組優(yōu)化數(shù)據(jù)展示優(yōu)化的效果。

4.1 優(yōu)化模型

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的首先在于安全，以保證產(chǎn)品的正常工作；其次是輕量化，以節(jié)約材料和成本。

安全就要求設(shè)計(jì)一定要滿足前文所述的工程約束。而輕量化可以通過選取合適的目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。可供選取的目標(biāo)函數(shù)有體積、質(zhì)量、截面積等。由于傳感油管的長度與傳感器的參數(shù)有關(guān)，而油管連接處的內(nèi)外徑與標(biāo)準(zhǔn)油管的尺寸有關(guān)，是相對固定的。那么決定其重量的因素就是傳感槽處的截面積。所以這里選擇截面積作為目標(biāo)函數(shù)，用下式中的area函數(shù)表示。優(yōu)化模型為：

式中：

2）E1、E2、E3和E4為前文所述的工程約束。

4.2 規(guī)則的表示與提取

由設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)知，設(shè)計(jì)過程中的主要步驟是結(jié)合尺寸信息、最大應(yīng)力點(diǎn)的位置和最大應(yīng)力值，對原有尺寸進(jìn)行修改。這里采用基于“IF（條件）THEN（規(guī)則）”的產(chǎn)生式表示法表示這些規(guī)則。根據(jù)優(yōu)化模型，規(guī)則的表示應(yīng)與尺寸、強(qiáng)度等參數(shù)有關(guān)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)歸納得到規(guī)則的表示形式為：

4.3 示例

下面給出一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的示例。首先確定參數(shù)中的固定尺寸（實(shí)際用于自動設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，這些尺寸必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），此例給定內(nèi)徑d1=11.674，槽寬d6=2.400，選取的材料為4140。再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一組偏安全的初始參數(shù)，預(yù)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化后各處壁厚會減小。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的前后對比如下表所示。表中尺寸單位為厘米，面積的單位為平方厘米。

由優(yōu)化結(jié)果可知。與預(yù)計(jì)相符，優(yōu)化前的設(shè)計(jì)過于安全，實(shí)際上是對材料的浪費(fèi)。優(yōu)化后，外徑d2比優(yōu)化前減少了7.69%，凹槽處壁厚d3減少了23.4%，平面處壁厚d4減少了20.9%，底部壁厚d5見減少了25.9%。最終，截面積比優(yōu)化前減小了12.8%。極大的節(jié)約了材料成本。達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié)論

參數(shù)化、工程約束和優(yōu)化設(shè)計(jì)這三個(gè)模塊組成的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從模型描述到最終結(jié)果的自動化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)基于Creo（原Pro/E）的Java接口和Abaqus的Python接口，二者通過在文件系統(tǒng)上讀寫中間文件進(jìn)行通信。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，本文所提出的結(jié)合工程約束和規(guī)則推理的自動設(shè)計(jì)方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及對比

1）兼容性。產(chǎn)品原有的資料數(shù)據(jù)，如圖紙和模型，可直接應(yīng)用于新系統(tǒng)上，節(jié)約了遷移平臺的成本。

2）準(zhǔn)確性。工程約束的應(yīng)用可以保證產(chǎn)品滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)過程中涉及大量繁瑣重復(fù)的工作，在這類工作方面計(jì)算機(jī)自動操作的準(zhǔn)確性高于手工操作。

3）自動化。參數(shù)化、規(guī)則推理等技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品描述到最終產(chǎn)品的自動化設(shè)計(jì)，有助于縮短研發(fā)時(shí)間，快速響應(yīng)客戶需求。

[1]Rao,R.V.,Savsani,V.J.,&Vakharia,D.P.(2011).Teaching–learning-based optimization:A novel method for constrained mechanical design optimization problems.Computer-Aided Design,43(3),303-315.

[2]Liao,S.H.(2005).Expert system methodologies and applications—a decade review from 1995 to 2004.Expert systems with applications,28(1),93-103.

[3]趙賽,陳炳發(fā),王體春.基于可拓關(guān)聯(lián)規(guī)則推理的產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012,09:246-248.

[4]張煜東,吳樂南,王水花.專家系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,19:43-47.

[5]侯建洪.汽車起重機(jī)主臂參數(shù)化建模與分析系統(tǒng)[D].吉林大學(xué),2013.

[6]車林仙,程志紅.工程約束優(yōu)化的自適應(yīng)罰函數(shù)混合離散差分進(jìn)化算法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,03:141-151.

[7]楊競哲.油管斷裂失效的分析[D].吉林大學(xué),2010.

[8]唐桃,樊建春,李煜.深水油管軸向熱變形及熱應(yīng)力分析[J].石油機(jī)械,2012,(12):47-50.

[9]姬如青,王秀梅,陳曉君,林淼鑫,呂少尉.改進(jìn)石油鉆桿有限元靜力分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012,(09):27-29.

[10]李霞,劉本學(xué),張三川,劉劍.基于APDL語言的電動車車架參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化,2013,06:130-133.

[11]張帥,周靖陽,王彥斯,肖福安.基于UG和ANSYS的直齒圓柱齒輪參數(shù)化建模及有限元分析[J].制造業(yè)自動