水下控制系统电子模块壳体结构优化及试验验证

1、水下控制系统电子模块壳体结构优化及 试验验证刘培林王向宇苏锋贾鹏范玉杨曹学伟 海洋石油工程股份有限公司 哈尔滨工程大学机电工 程学院摘要：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，采用种基于响应面方程的多目标优化法 建立了 sem売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

2、壳体质量较优化前降低了 24. 8%, .ft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。关键词：水下控制系统电子模块；sem壳体;多目标结构优化;响应面方程；pareto遗传 算法;高压舱试验;作者简介：刘培林，男，教授级高级工程师，主要从事海洋石油研究设计工作。 地址：天津市塘沽区丹江路1078号616信箱（邮编:300451）。e-mail:peilin6mai1. cooec com cn。作者简介：王向宇，男，在读博士研究生，主要从事水下智能机械和机器人控制 技术的研究。地址:哈尔滨市南岗区南通

3、大街145号哈尔滨工程大学61号楼（邮 编:150001） o e-mail:wangxiangyu325126. com。收稿日期:2017-05-17基金：工信部海洋工程装备科研项日“水下控制系统与关键设备研发”“水下控 制系统对接盘、锁紧结构研制”optimization and test of the elec tronic module shell st rue ture in subsea control systemsliu pe订in wang xiangyu su feng jia peng fanyuyang cao xueweioffshore oil engineeri

4、ng co. ltd. ; college ofmechanical and electrical engineering, harbinengineering university;abstract：according to the lightweight requirements for subsea electronic modules (sem) in control systems, sem structure scheme was determined, and the design of its pressure shell structure was carried out.f

5、inite element analysis for the failure mode of the sem shells was conducted, and the failure type was determined to be yield failure. on the basis of the work above, the equation of response surface model of sem shells was establ ished using a mul ti-objecti ve optimization method based on response

6、surface equation.overall optimeil solution of the equeition was obtained by applying pareto genetic algorithm, hence the optimized paramctcr values of shells as well. finally, aprototype was fabricated based on the optimized strueture, and high pressure tank tests were carried out. the resul ts show

7、 that the mass of the optimized sem i s smal ler than that of the previous one by 24. 8%, and meets the strength and stability requircmcnts, achieving the goal of lightweight. the results of the research work here have good referenee significance for electronic module shell structure design of deepw

8、ater control systems.keyword：electronic module in subsea control system; sem shell; multi-objective optimization of strueture; response surface equation; pareto genetic algorithm; high pressure tank test;received： 2017-05-17 水下控制模块(scm)是水下生产控制系统的核心设备上1，控制着水下采油 树的各个阀门，监控水下采油树、分离器及管汇等设备的工作状态3-5。水下 控制模

9、块的核心控制部分是由其内部的水下电子模块(sem)来完成的，其壳体 要求设计成耐压壳体，且具有足够的强度和稳定性，以保证其不会因海水压力 和腐蚀而损坏6-7。目前己研制的水下控制模块的壳体形状有圆筒形、方形，其 内部的水下电子模块都设计为圆筒形的耐压壳体，水下电子模块壳体的大小决 定了水下控制模块的壳体大小和整体重量。近年来，许多学者对圆筒形耐压壳体结构优化做了深入的研究，提供了许多耐 压壳体的结构优化方法8-10。文献8采用有限元分析方法及最小二乘法对藕 节形大深度潜水器耐压壳体的强度与稳定性进行了分析与研究。文献9采用分 枝定界法和序列二次规划方法对载人潜水器圆柱形耐压壳体进行了优化设计。

10、本 文首先釆用ansys软件对sem壳休的失效模式进行了分析，确定了 sem壳体的失 效形式;在此基础上，采用基于响应面方程的多目标结构优化方法建立了 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，最终达到了优化目的;最后将所设计的sem壳体根据优化后的结构尺寸加工 制造成实体，并对其进行高压舱试验，验证了结构的可靠性。1 sem结构方案设计本文所设计的水下控制系统电子模块如图1所示，主要由光电连接器、sem顶盖、 电子元器件、sem壳体等组成，其屮光电连接器安装在sem顶盖上，sem顶盖通 过螺钉与sem壳体连接【古|定，在sem顶盖内圆上设计有端

11、面和轴向密封圈，保证 了 sem的密封性。图1本文设计的水下控制系统电子模块结构示意图fig. 1 target electronic module st rue ture of subsea control sys tem 下载原图2 sem壳体结构设计及有限元分析对于sem的结构设计，其壳体既要满足强度要求，又要尽量减轻质量，而这2 个参数z间是相互矛盾的，因此在设计过程屮应对sem的売体结构进行优化， 在满足强度和稳定性要求的前提下使其体积和重量尽可能小，进而实现水下控 制模块的小型化和轻量化。2. 1 sem壳体的结构设计为了安装方便，sem的壳体结构放弃了高压壳体常用的球形盖结构，而

12、采用平盖 结构。根据薄板理论，周边固支平盖的最大应力在平盖的边缘处，而周边简支平 盖的最大应力则在平盖的中心处11 o本次设计的sem壳体底部没有端盖，其结 构属于周边固定式薄板，所以其底部最大应力应出现在底部与筒壁的连接处。 sem的端盖与筒体采用螺纹连接，端盖也属于周边固支式平盖，所以端盖的最 大应力应岀现在平盖的下部边缘处。由于端盖在受力时会产生变形，变形后的端 盖下部会挤压筒体的内壁，所以筒体在与端盖最下端接触的部分也会产生应力 集中，故在易发生应力集中的部位加上圆角，以减小壳体的应力集中。初步设计 sem外壳的形状如图2所示，这种形状为较常见的壳体形状，根据实际工作条件 的要求，se

13、m壳体需要在硅油环境中承受21 mpa的外部压力，故壳体的设计压 力为21 mpao图2 sem壳体形状fig. 2 shape of sem' s shell 下载原图2. 2 sem壳体材料选择考虑到轻量化的要求，sem壳体釆用钢号为022cr23ni5mo3n的双相不锈钢（主 要机械性能见表1）,其屈服强度是普通不锈钢的2倍以上，并具有耐腐蚀及良 好的焊接性能。表 1 022cr23ni5mo3n 钢主要机械性能 table 1 main mechanical properties of steel022cr23ni5mo3n下载原表2. 3 sem壳体有限元分析圆柱壳体承受外压

14、时会在圆柱壳体上产生压缩应力，当压缩应力大于壳体材料 的屈服强度时也会发生强度破坏，即屈服失效，而外压壳体通常是在压缩应力 达到材料屈服强度时就会突然产牛自身形状的压扁或压溃现象，即屈曲或失稳。 利用ansys workbench软件对sem壳体的这2种失效情况进行分析。1）壳体强度分析。在壳体外部加载均布压力21 mpa,得到其受力云图如图3所 示，壳体的最大应力为196.71 mpa,小于材料的最大许用应力。尽管在筒体底 部圆角、端盖与筒体接触的地方出现了较大的应力集中，但这儿个地方对壳体的 整体质量影响不大，所以壳体的结构还有较大的优化空间。2）壳体稳定性分析。当圆柱壳体的外压载荷达到临

15、界压力吋，圆柱壳体会沿圆 周方向形成多个失稳屈曲波形，且失稳时売体的横截面会由原来的圆形变为波 形，波形数可以为2个、3个、4个13,如图4所示。将sem壳体上下两端固定，壳体外部加载均布压力21 mpa,通过ansys软件进 行屈曲分析，得到一阶到六阶屈曲失稳临界载荷及屈曲失稳波形数如表2所示, 对应的屈曲失稳模态图如图5所不。图 3 sem 壳体受力纵截面云图 fig. 3 vertical section nephogram of sem shell stress 下载原图图 4 外压圆柱壳体失稳形态 fig. 4 instability form of cylindrical shel

16、l under external pressure下载原图表 2 sem 壳体屈曲分析结果 table 2 analysis resul is summary of sem shel 1 buckling下载原表图5 sem壳体一阶到六阶屈曲失稳模态图fig. 5 mode figures of the sem shell from firs t to six th-order buckling ins tabi lity下载原图从表2可以看出，sem壳体的一阶屈曲失稳临界载荷最小，为511.6 mpa,大于 材料的屈服强度。因此，该水下电子模块壳体容易发牛的失效形式为屈服失效, 所以对壳体进

17、行优化吋以壳体屈服失效吋所受最大应力作为优化目标。3基于响应面方程的sem壳体多目标结构优化3.1 sem壳体响应面方程多目标优化数学模型响应面方程法是一种以试验设计为基础的用于试验模型建立和模型分析的统计 处理方法，采用响应面方程法对水下电子模块的壳体结构进行优化，通过试验 获得样本点的数据信息，对样本数据点进行拟合，进而得到设计变量和实际目 标之间实际函数的近似函数im。在一项试验中，有n个设计因素x2, x3,xn,其试验结果与设计因素之间有如下关系：式(1)中，gl、创、gm已知，b、b2、为回归系数，£为随机误差, 均值为oo 将试验获得的样本点数据代入式(1)中，得 为了

18、求解方便，式（2）可以被改写成如下矩阵形式: 其中 回归系数向量3的无偏估计为 将式（4）代入式（2）即可得到响应面拟合方程。拟合出响应面方程后，用全相 关系数r对拟合程度进行验证，r越接近1,拟合程度越好。式（5）中：y：、跆y：、珂*分别表示为目标函数响应的拟合值、试验值、试验值 的平均值，p为样本的数量。以组成sem壳体的筒体和端盖主要尺寸作为设计变量，以売体质量和承受外压 时壳体所受最大应力作为目标变量，sem壳体响应而方程多r标优化数学模型表 达式可描述为式（6）中：力（x）为sem壳体质量二阶响应而函数;y2 （x）为壳体所受最大应力 二阶响应面函数;x为决策向量;xi.和汕分别为

19、设计变量的上下限。3.2 sem壳体响应面方程模型的建立在sem壳体的设计过程中，影响壳体质量及最大应力的参数主要有端盖露出厚 度比、端盖内伸厚度出、端盖总厚度出、端盖深入厚度也、sem内径汕、sem筒 体总长出、端盖内圆角半径出、筒壁厚度h“、筒底厚度lb、筒体圆角半径rs 其中，sem内径h6固定为330 mm, sem筒体总长出|古|定为880 mm,为方便建模 过程中参数设置，将端盖深入厚度出分解为端盖外圆角半径乩和内部厚度hb 即比二h4+r2,如图6所示。图 6 sem 壳体参数模型 fig. 6 parameter model of sem' s shell 卜载原 图设

20、计变量的个数直接关系到优化设计的效率，过多的设计变量会造成优化计算 的工作量较大，影响工作效率，所以应对这些变量进行相关性分析，研究这些 设计变量对壳体质量及最大应力的影响，并从这些设计变量中选取影响因子较 大的设计变量进行优化设计，进而提高计算效率。首先对sem壳体的9个设计变 量进行相关性分析，设计变量的取值如表3所示。表 3 sem 壳体设计变量取值 table 3 values of sem shell design variable下载原表利用ansys workbench软件分析各个设计变量与目标参数之间的关系，自动将这 9组变量分解排列成147组样本点，求解出每组设计变量值对应的

21、壳体质量及最 大应力，最终得到设计变量与目标参数之间的相关性直方图，如图7、8所示。图7 sem壳体质量与目标参数之间的相关性直方图fig. 7 histogram between sem shell mass and target parameters of sem shell下载原图图8 sem壳体最大等效应力与目标参数z间的相关性直方图fig. 8 histogram between maximum equivalent stress and target parameters of sem shell 下载原图从图7、8中可以看出：对于壳体质量而言，筒壁厚度h“的相关性最大，其他设 计

22、变量的影响与之相比都比较小;对于最大应力而言，端盖外圆角半径r?的相关 性最尢 筒壁厚度11“、筒底厚度氏2和筒体圆角半径乔的相关性也都比较大。所 以综合考虑，将r2、hu> h22、r"作为设计变量进行优化设计。分别设r2、hu> h22、rn为心、x2、x3、xb结合各个参数的范围,利用ansys软 件随机生成24个样本点并计算目标参数对应的响应结果，如表4所示，其他未 做优化的参数取其初始值。表4随机生成的sem壳体设计变量样本点及其计算结果table 4 randomthe designgenerated sample points and the calcula

23、tion results of variables for sem shell 下载原表将表4中的数据代入式(4),在mat lab软件中编程进行计算，得到sem壳体质 量和最大应力2个优化目标函数的回归系数，如表5所示。因此，得到sem壳体 的多目标结构优化响应面方程模型为表5 sem壳体质量和最大应力优化目标函数回归系数拟合结果table 5 fitting results of regressive coefficient of sem shell mass and maximum equivalent stress 下载原表选取5组非插值点，求出响应面方程模型的计算值及有限元分析结果，

24、代入式(5) 得到壳体质量和壳体最大应力的响应面方程全相关系数r分别为0. 997和 0. 995,两者都接近于1,可以认为利用该响应面方程模型对sem壳体尺寸进行 优化得到的结果是可靠的。3.3 sem壳体多目标结构优化结果及分析应用pareto遗传算法获取sem壳体多目标结构优化响应面模型方程的全局最优 解，将各个设计参数的区间按照表2进行选取，并认为最大应力与质量同样重 要，即权重相同15。通过matlab软件进行求解，经计算得到60组最优解，形 成最优解集，如图9所不。图9 sem壳体质量和最大应力的pareto遗传算法最优解集fig. 9 pareto genetic algorit

25、hm optimal solution set of sem shell mass and maxinium equivalent stress 下载原图取sem壳体所受应力为最大许用应力的95%对应的点作为最优解，将优化后的数 据与优化前进行对比，如表6所示。从表6可以看出，优化后的质量较优化前的 质量降低了24.8%,最大应力增加了 15.8%,但最大应力227. 74 mpa仍然小于壳 体材料的许用应力238 mpa,所以通过优化有效减轻了 sem的质量，实现了轻量 化。表 6 sem 壳体参数优化前后对比 table 6 comparison of sem shell paramete

26、rs before and after optimization下载原表4 sem壳体强度高压舱试验验证为了验证经过优化设计的水下电子模块壳体强度能否起到保护壳体的作用，开 展了 sem壳体高压舱试验。试验所用的壳体按照优化后的结构尺寸进行加工制造, 高压舱压力根据钢制压力容器标准的要求“承受外压的壳体在进行液压压力 试验时，试验压力为设计压力的125倍”，水下电子模块的设计压力为21 mpa, 故试验压力为26. 25 mpao在高压舱试验时，将水下电子模块安装到水下控制模 块内，再将水下控制模块放入到高压舱内，如图10所示，然后分6个阶段逐渐 对高压舱内进行加压，最终加压至26. 25 m

27、pa,并保压30 min,最后按照加速度 0.016 mpa/s进行泄压，具体加压过程见表7,加压曲线如图11所示。图 1 0 scm 高压舱内照片 fig. 10 photo of scm in high pressure chamber 下 载原图表7 sem壳体强度高压舱试验加压过程table 7 sem shell strength pressure process of hyperbaric chamber test卜载原表经过观察，高压舱试验时水下控制模块外观无明显变化，保压过程中压力稳定。 将水下控制模块取岀后，对水下电子模块进行拆卸，观察未发现水下电子模块 有明显变形，测量结果

28、显示其变形在允许的范围内；同时，对水下控制模块进行 功能测试，结果也显示功能无界常，说明水下电子模块壳体强度满足要求。图 1 1 高压舱内压力变化曲线 fig. 11 sem shell strength pressure curve of high pressure chamber下载原图5结论基于sem壳体的轻量化需求，完成了 sem壳体的结构方案设计、材料选择。通过 ansys软件分析，确定了 sem壳体的失效形式为屈服失效。建立了 sem壳体的响 应面方程模型，并对sem壳体的结构进行多目标优化，优化后sem壳体的质量较 优化前降低了 24. 8%,最大应力增加了 15. 8%,但仍小

29、于壳体材料的许用应力， 达到了 sem壳体轻量化要求。对所设计的sem壳体进行了高压舱试验，验证了经 过优化设计的sem壳体结构的可靠性。参考文献1 冒家友，阳建军，王运流花4-1油田水下复合电液控制系统设计与应用j. 中国海上油气，2014, 26 (3) : 111-114. mao jiayou, yang jianjun, wang yun. design and cipplication of subsea composite e 1 ectro-hydraulie control system in lh4-1 oilfieldj. china offshore oil and g

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