一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法技术

一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法，包括如下步骤：S1.给定深海连接器密封结构的各项取值范围；S2.获得n组样本点；S3，选择密封结构主密封面最大接触应力和密封面节点接触应力方差作为评价指标，建模计算密封性能指标；S4，使用步骤S2和S3获得的数据作为样本点，找到最优设计参数Xm；S5，使用EI准则找到各个Kriging模型对应的最大期望提高密封结构密封性能的设计参数XEI；S6，计算最优设计参数对应的密封性能指标；S7，对样本点进行更新，建立基于Gaussian相关函数的Kriging模型，测试其收敛性，判断并输出连接器最优设计参数；本发明专利技术在改善深海连接器密封性能的同时，可以显著提高密封结构优化效率。

Seal structure optimization method of deep-sea connector based on improved Kriging model

An improved Kriging model-based optimization method for deep-sea connector seal structure includes the following steps: S1. Given the range of values of deep-sea connector seal structure; S2. Obtain N sets of sample points; S3, select the maximum contact stress of the main seal surface and the contact stress variance of the joint of the seal surface as the evaluation index, model and calculate the seal performance index; S4, use C2 and S3. The obtained data are taken as sample points to find the optimal design parameters Xm; S5, using EI criterion to find the design parameters XEI corresponding to each Kriging model with the maximum expectation of improving the sealing performance of the sealing structure; S6, calculating the corresponding seal performance index of the optimal design parameters; S7, updating the sample points, establishing the Kriging model based on the Gauss correlation function, testing its convergence and judging. The invention can improve the sealing performance of deep-sea connector and remarkably improve the optimization efficiency of sealing structure.

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法
本专利技术属于海洋工程装备的密封
，尤其涉及一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法。
技术介绍
深海连接器(以下简称连接器)是连接海底油气生产管道的关键设备，其服役过程中需要承受管道内油气的高温高压作用，同时还需要承受管道外海水的低温高压载荷，工况环境较为恶劣。优化连接器密封结构可以改善连接器密封性能，提高海底油气生产的安全性和稳定性。但是，连接器工作过程中密封结构发生了较大的塑性变形，导致连接器密封结构优化目标函数具有较强的非线性，造成连接器密封结构优化目标函数计算极为耗时(单个计算模型20小时以上)，使得连接器密封结构优化效率较低，优化设计工作难以开展。目前，主要采用二次响应面、径向基函数等代理模型替代传统复杂耗时的目标函数计算方法(①运飞宏，王立权，刘军，等.深水卡爪式连接器密封优化分析及试验研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2017,45(4):23-28；②魏宗亮，王立权，关雨，等.新型海底管道连接器密封性能的优化[J].华中科技大学学报(自然科学版),2017,45(3):40-45.)，快速获得任意设计参数对应的目标函数响应值，可以提高连接器密封结构优化效率。但是，应用Kriging模型建立连接器设计参数与密封性能目标函数间响应关系，并进行优化的相关研究还未见报道。而Kriging模型具有极强的非线性拟合能力和独特的误差估计功能，能够以更高精度计算连接器密封结构目标函数响应值。因此，应该采用Kriging函数替代传统复杂目标函数计算方法，提高目标函数计算效率，进一步改善目标函数响应计算精度。与此同时，在基于Kriging模型的结构优化方法方面，相关函数是影响Kriging模型拟合精度的重要参数，而且包括多种不同类型的相关函数标准模型(Gaussian、Exp、Cubic、Expg等)，而目前通常需要根据建模者经验选择合适的相关函数建立Kriging模型(基于组合预测方法的组合Kriging模型构建方法，CN201610530706.8)，并基于该选择的单一相关函数进行结构参数寻优计算、样本点更新。从多源信息融合理论角度来看，样本数据中的信息的由单一模型获取，而且该模型由人凭经验选择，将导致Kriging模型精度不高，造成基于Kriging模型的优化方法优化求解效率下降。因此，为提高深海连接器密封结构优化效率、进一步改善目标函数计算精度，本专利技术引入Kriging模型，并考虑相关函数对Kriging模型精度的影响，对基于Kriging模型的优化方法进行改进，开发一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法，对改善连接器密封结构性能，保证深海油气开采的安全性和稳定性有重要作用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法，通过对密封结构参数进行优化，在改善连接器的密封能力的同时，提高优化效率。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法，包括以下步骤：S1，给定深海连接器密封结构VX钢圈设计参数及其取值范围，包括：VX钢圈角度α∈[αa,αb]，钢圈接触面宽度b∈[ba,bb]，钢圈厚度B∈[Ba,Bb]；S2，使用拉丁超立方试验设计方法抽样α,b,B，获得n组样本点(αi,bi,Bi)，其中，i＝1,2,…,n；S3，选择密封结构主密封面最大接触应力σm和密封面节点接触应力方差S2作为评价指标，建立深海连接器密封结构有限元模型，计算n组样本点对应的密封性能指标(σmi,S2i)其中，i＝1,2,…,n；S4，使用步骤S2和S3获得的数据[(αi,bi,Bi)，(σmi,S2i)]，其中，i＝1,2,…,n作为样本点，基于多源信息融合理论，采用Matlab中的Dace工具箱，建立基于h个不同类型相关函数的Kriging模型，相关函数包括Gaussian、Exp、Cubic、Expg，使用遗传算法对h个Kriging模型寻优计算，分别找到最优设计参数Xm＝([αm],[bm],[Bm])，其中，[αm]＝[αm-Gaussian,αm-Exp,αm-Cubic,αm-Expg,…,αm-h]，[bm]＝[bm-Gaussian,bm-Exp,bm-Cubic,bm-Expg,…,bm-h]，[Bm]＝[Bm-Gaussian,Bm-Exp,Bm-Cubic,Bm-Expg,…,Bm-h]；S5，使用EI准则找到各个Kriging模型对应的最大期望提高密封结构密封性能的设计参数XEI＝([αEI],[bEI],[BEI])，其中，[αEI]＝[αEI-Gaussian,αEI-Exp,αEI-Cubic,αEI-Expg,…,αEI-Expg]，[bEI]＝[bEI-Gaussian,bEI-Exp,bEI-Cubic,bEI-Expg,…,bEI-h]，[BEI]＝[BEI-Gaussian,BEI-Exp,BEI-Cubic,BEI-Expg,…,BEI-h]；S6，将S4和S5获得的最优设计参数(Xm,XEI)代入步骤S3中建立的深海连接器密封结构有限元模型中，并计算获得对应的密封性能指标(σmj,S2j)'，其中j＝1,2,…,h；S7，将[(Xm,XEI),(σmi,S2i)']加入到样本点[(αi,bi,Bi)，(σmi,S2i)]中，对样本点进行更新，选择Gaussian相关函数作为标准相关函数模型，建立Kriging模型，测试其收敛性，若不满足收敛条件，则重复步骤S4-S6，直到满足收敛条件，输出最优结果，即优化的连接器设计参数：VX钢圈角度αm1，钢圈接触面宽度bm1，钢圈厚度Bm1。所述步骤S2中，使用拉丁超立方试验设计的采样数n＝3k，其中k＝p(p+1)/2,p为优化设计变量数；所述步骤S3中，计算n组样本点对应的密封性能指标(σmi,S2i)的方法是：提取VX钢圈接触面的所有节点的接触应力值，统计其大小，即可获得任意组样本i对应的密封结构主密封面最大接触应力σmi值；采用方差计算方法对提取的所有节点的接触应力值进行方差计算，即可获得任意组样本i对应的密封面节点接触应力方差S2；所述步骤S5中，EI准则为：假设密封性能最优为yσmax,且Kriging模型响应值服从均值为的正态分布,其标准差为s(x).则其概率密度为：为获得最大期望提高接触应力σm的设计参数，则需要计算式(2)，E(I(x))最大值对应点即为有最大期望提高接触应力σm的设计参数：所述步骤S7中，收敛条件为：其中，和分别为第q代和第q+1代Kriging模型获得的最优值。本专利技术的有益效果为：本专利技术在使用优化算法获得最优设计参数及最大期望提高密封性能的设计参数时，考虑Kriging模型相关函数影响模型预测精度，且包含多种类型标准模型，基于多源信息融合理论，采用多种不同类型的相关函数建立对应的Kriging模型，一次可以获得多个样本更新点，得到了一种基于多个相关函数的“并行采样”策略，形成了一种基于该改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法。优化过程中，一次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，给定深海连接器密封结构VX钢圈设计参数及其取值范围，包括：VX钢圈角度α∈[αa,αb]，钢圈接触面宽度b∈[ba,bb]，钢圈厚度B∈[Ba,Bb]；S2，使用拉丁超立方试验设计方法抽样α,b,B，获得n组样本点(αi,bi,Bi)，其中，i＝1,2,…,n；S3，选择密封结构主密封面最大接触应力σm和密封面节点接触应力方差S

【技术特征摘要】
1.一种基于改进Kriging模型的深海连接器密封结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，给定深海连接器密封结构VX钢圈设计参数及其取值范围，包括：VX钢圈角度α∈[αa,αb]，钢圈接触面宽度b∈[ba,bb]，钢圈厚度B∈[Ba,Bb]；S2，使用拉丁超立方试验设计方法抽样α,b,B，获得n组样本点(αi,bi,Bi)，其中，i＝1,2,…,n；S3，选择密封结构主密封面最大接触应力σm和密封面节点接触应力方差S2作为评价指标，建立深海连接器密封结构有限元模型，计算n组样本点对应的密封性能指标(σmi,S2i)其中，i＝1,2,…,n；S4，使用步骤S2和S3获得的数据[(αi,bi,Bi)，(σmi,S2i)]，其中，i＝1,2,…,n作为样本点，基于多源信息融合理论，采用Matlab中的Dace工具箱，建立基于h个不同类型相关函数的Kriging模型，相关函数包括Gaussian、Exp、Cubic、Expg，使用遗传算法对h个Kriging模型寻优计算，分别找到最优设计参数Xm＝([αm],[bm],[Bm])，其中，[αm]＝[αm-Gaussian,αm-Exp,αm-Cubic,αm-Expg,…,αm-h]，[bm]＝[bm-Gaussian,bm-Exp,bm-Cubic,bm-Expg,…,bm-h]，[Bm]＝[Bm-Gaussian,Bm-Exp,Bm-Cubic,Bm-Expg,…,Bm-h]；S5，使用EI准则找到各个Kriging模型对应的最大期望提高密封结构密封性能的设计参数XEI＝([αEI],[bEI],[BEI])，其中，[αEI]＝[αEI-Gaussian,αEI-Exp,αEI-Cubic,αEI-Expg,…,αEI-Expg]，[bEI]＝[bEI-Gaussian,bEI-Exp,bEI-Cubic,bEI-Expg,…,bEI-h]，[BEI]＝[BEI-Gaussian,BEI-Exp,BEI-Cubic,BEI-Expg,…,...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾威，宋红，岳治，徐建宁，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61