基于熱固耦合的林區原油管道機器人殼體優化分析

董年鑫 王希貴 吳哲 張智欽

摘 要：為解決原油管道機器人殼體在特殊環境下工作時的安全性和經濟性問題，采用有限元分析方法對原油管道機器人殼體進行強度、剛度分析，避免殼體在工作時發生破壞。在此基礎上，采用響應面優化分析對殼體厚度進行優化，在確保殼體強度和剛度滿足許用要求的前提下，進行輕量化設計，節省材料和成本。同時，為提高管道機器人在不同區域和極端條件下的適應性，進一步研究溫度和殼體厚度對殼體強度和剛度的影響。研究分析發現，溫度對殼體最大變形和應力影響較大，且當殼體外側溫度一定時，殼體的最大變形隨殼體厚度的增加而減小，殼體的最大應力隨厚度的增加而增加，但變化量都較小;當殼體厚度一定時，殼體的最大變形隨溫度的增加而增加，殼體的最大應力隨溫度的增加呈現先減小后增大的趨勢，以10 ℃左右為分界點，小于10 ℃時，隨溫度的增加而減小，大于10 ℃時，隨溫度的增加而增加，該研究結果為實際工程應用提供一定的參考依據。

關鍵詞：原油管道機器人;殼體;厚度;熱固耦合;多目標優化分析

中圖分類號：TP776.2??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）01-0101-07

Optimization Analysis of Forest Crude Oil Pipeline Robot Shell

Based on Thermal-structure Coupling

DONG Nianxin， WANG Xigui*， WU Zhe， ZHANG Zhiqin

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to solve the safety and economic problems of the crude oil pipeline robot shell when working in a special environment， the finite element analysis method is used to analyze the strength and stiffness of the crude oil pipeline robot shell to avoid damage to the shell during operation. On this basis， the response surface optimization analysis is used to optimize the thickness of the shell. Under the premise of ensuring that the strength and rigidity of the shell meet the allowable requirements， a lightweight design is carried out to save materials and costs. At the same time， in order to improve the adaptability of the pipeline robot in different areas and extreme conditions， this paper further studies the effects of temperature and shell thickness on the strength and stiffness of the shell. Research and analysis have found that temperature has a greater impact on the maximum deformation and stress of the shell. And when the outer temperature of the shell is constant， the maximum deformation of the shell decreases with the increase of the thickness of the shell， and the maximum stress of the shell increases with the increase of the thickness， but the amount of change is small. When the thickness of the shell is constant， the maximum deformation of the shell increases with the increase of temperature， the maximum stress of the shell decreases first and then increases with the increase of temperature. Taking about 10 ℃ as the dividing point， it decreases with the increase of temperature below 10 ℃， and increases with the increase of temperature above 10 ℃. It provides a certain reference basis for practical engineering applications.

Keywords：Crude oil pipeline robot; shell; thickness; thermal-structure coupling; multi-objective optimization analysis

0 引言

經濟發展離不開能源，原油開采是中國能源戰略的重點項目之一，對經濟發展意義重大。歷經幾十年的開發，以大慶油田為代表的傳統油田原油儲量急速銳減，且原油質量下降，原油中的含水率越來越高。因此，開發新型油田，是能源戰略的當務之急。在傳統油田走向衰竭時，新興的林區油田成為新的開采對象[1]。林區是原油儲存量較多的區域之一，管道運輸是陸上原油輸送的主要方式，但是由于原油管道通常深埋地下，原油作為一種液體混合物，在低溫下會凝固，而林區土壤含水率較高，因此管道周圍溫度更低，更容易造成管道堵塞，需要在管道內置加熱線的方式進行加熱保溫，保證原油輸送的暢通[2-5]。然而不論是對管道內凝結原油的疏通，還是對原油管道內加熱線的檢測，都需要一種可以在管道內爬行、加熱疏通的機器人，為原油管道的暢通提供安全保障[6-7]。原油管道機器人殼體作為保護原油管道機器人正常工作的重要構件，工作環境復雜，因此對其在極端條件下的強度、剛度進行分析校核，并在滿足強度、剛度要求的前提下用ANSYS進行殼體厚度優化分析，確定其最佳厚度，減輕重量，降低成本。

1 殼體模型的建立與簡化

由于原油管道機器人耐壓殼體較為復雜，對殼體進行有限元分析時，為快速準確地得到計算結果，需要對模型進行合理的簡化。簡化原則是：簡化后的物理模型不能影響結構的實際靜力學特性[8]。

1.1 殼體模型的建立

該原油管道機器人需要在林區原油管道內部復雜的環境下完成工作，因此對其驅動機構、變徑機構、越障機構和加熱機構等都進行了的設計，從而應對這種復雜的環境，保證其正常工作，而殼體主要對管道機器人的上述機構起相應的安裝、定位和保護等作用。原油管道機器人及其殼體模型如圖1所示。

由圖1可知，該殼體結構復雜，因此在有限元分析時計算復雜，故在不影響其精度的前提下，對其結構進行簡化，便于后期分析。

1.2 殼體模型的簡化

根據上述簡化原則，對殼體結構中一些螺紋孔、定位孔、倒角和圓角，以及各種對整體影響較小的平臺進行忽略，保留其原始模型的重要特征[9-10]，簡化后的模型如圖2所示。

簡化后的殼體模型長度為520 mm，最大直徑為350 mm。原油管道機器人殼體設計是一個典型的多物理場、多目標優化設計問題，在溫度場和力場共同作用下，滿足其強度要求的同時，力求獲得質量最輕的設計方案。因此對模型進行簡化，使求解更加快速準確。

2 殼體模型的有限元分析

對殼體模型進行熱固耦合分析主要包括三大步驟，分別為前處理、求解設定和后處理。其中，前處理包括模型的導入、材料的賦予和網格劃分;求解設定包括邊界條件的約束、載荷的施加和求解方法設定;后處理包括結果的查看與分析[11]。

ANSYS中的熱固耦合包括直接耦合和間接耦合。直接耦合分析是采用具有溫度自由度的Solid226單元，在分析過程中同時考慮溫度場和力場的影響，使其在時域下不斷耦合。間接耦合是先采用Solid90單元對結構進行溫度場分析，再將溫度場作為邊界條件導入結構中，用Solid186單元進行熱應力分析[12]。但直接耦合分析由于是2個物理場之間不斷進行耦合，因此計算時間更長，且直接耦合多用于受摩擦生熱影響較大的結構中。綜合考慮，對原油管道機器人殼體的熱固耦合分析采用熱固間接耦合分析。

2.1 實際工況及材料設定

設原油管道機器人在極端條件下工作，管道內原油過冷凝結，電伴熱線以恒溫100 ℃工作，原油管道機器人在管道中的作業深度為400 mm，殼體外側原油溫度為0 ℃，殼體內側為100 ℃。原油管道直徑為400 mm，在0 ℃的環境下，原油密度為850 kg/m3 [13]，假定原油管道機器人在管道內相對原油勻速運行，原油與殼體之間的摩擦系數為0.3。

殼體采用鋁合金，在0 ℃時，密度為2 700 kg/m3，彈性模量為7.1×1010 MPa，泊松比為0.33，屈服極限280 MPa，抗拉強度310 MPa，熱膨脹系數為2.3×10-5? ℃-1，熱傳導系數為144 W/（m·℃），比熱容為875 J/（kg·℃），見表1。因殼體內部為封閉狀態，殼體外可等效替代為在溫度場加載時直接在殼體外表面施加0 ℃的溫度。

根據工程經驗，取安全系數為1.5[14]，則許用屈服應力187 MPa，許用拉伸應力為207? MPa，殼體厚度為10 mm。

2.2 殼體有限元模型的前期處理

采用ANSYS19.2對殼體進行熱固耦合有限元分析，導入模型后，將模型賦予鋁合金材料，為保證結果精度，在ANSYS的前處理Design Model模塊中對模型進行切分，然后用六面體網格主導加映射對模型進行劃分，網格劃分結果如圖3所示，共得到61 161個節點和8 658個單元。

2.3 殼體模型的穩態熱分析

由于采用熱固間接耦合分析，故先利用AYSYS19.2的Steady-State Thermal（穩態熱）模塊對殼體進行穩態熱分析。

2.3.1穩態熱分析的求解設定

殼體是厚為10 mm的鋁合金材料，在0 ℃的環境中，熱膨脹系數為2.3×10-5?? ℃-1，在0 ℃時的熱傳導系數為144 W/（m·℃），比熱容為875 J/（kg·℃），殼體外側原油溫度為0 ℃，殼體內側電伴熱線以100 ℃的恒定溫度工作，因此在殼體內側施加100 ℃的溫度，在殼體外側施加0 ℃的溫度，進行求解。

2.3.2穩態熱分析的結果及后處理

求解設定完成后，運用ANSYS對殼體進行溫度場計算，計算完成后溫度云圖的結果如圖4所示，溫度梯度分布均勻，符合實際工況。

2.4 殼體模型的熱固耦合分析

在溫度場求解完成后，將溫度場結果導入靜力學分析模塊，利用AYSYS 19.2的Static Structural（靜態結構）模塊對殼體進行熱固耦合分析。

2.4.1 熱固耦合分析的求解設定

殼體是厚為10 mm的鋁合金材料，在0 ℃時，密度為2 700 kg/m3，彈性模量為7.1×1010 Pa，泊松比為0.33。設原油管道機器人在管道中的作業深度（h）為400 mm，殼體外側原油溫度（t）為0 ℃，殼體內側為100 ℃。原油管道直徑（d）為400 mm，外殼受力表面積（S）為0.621 262 m2。在0 ℃的環境下，原油密度（ρ）為850 kg/m3，假定原油管道機器人在管道內相對原油勻速運行，原油與殼體之間的摩擦系數（μ）為0.3，重力加速度（g）取9.8 m/s2。則外殼受到的壓力（P）為：

P=ρ·g·h=850×9.8×0.4=3 332 Pa 。 （1）

外殼受力平面受到的阻力F為：

F=μ·P·S=0.3×3 332×0.621 262=621.01 N。 （2）

進入求解設定后，先將溫度場載荷導入靜力學分析模塊，然后在殼體外側施加0.003 332 MPa的壓力，在殼體前端面施加621.01 N的阻力。除此之外，殼體前后端開孔位置與小法蘭盤相連，因此在孔端與法蘭盤相接觸的位置定義固定約束。

2.4.2 熱固耦合分析的結果及后處理

求解設定完成后，運用ANSYS對殼體進行熱固耦合計算，計算完成后在溫度場作用下的應力結果如圖5所示，溫度場加靜力場的應力云圖如圖6所示，溫度場變形云圖如圖7所示，溫度場加靜力場的變形云圖如圖8所示。

由圖5和圖6可知，殼體在只有溫度場的條件下最大應力小于溫度場和靜力學共同作用下的應力，這是因為殼體在溫度場作用下受熱膨脹，溫度場作用下的殼體變形趨勢與靜力場中摩擦力作用下的殼體變形趨勢相同，增加了殼體一部分的應力，結果符合實際工況。

綜上可知，殼體在0 ℃的環境中，外側受0 ℃的溫度，內側受100 ℃的溫度，外側受0.003 332 MPa的壓力，殼體外側表面受551.98 N的摩擦力的載荷的共同作用下，殼體受到的最大應力為150.89 MPa，小于其許用屈服應力187 MPa，滿足其強度要求，能在原油管道中安全作業。

由圖7、圖8可知，殼體在只有溫度場的條件下最大變形小于溫度場和靜力學共同作用下的變形，這是因為殼體在溫度場作用下受熱膨脹，溫度場作用下的殼體變形趨勢與靜力場中摩擦力作用下的殼體變形趨勢相同，增加了殼體一部分變形，結果符合實際工況。殼體在上述工況下的最大變形為0.170 5 mm，不會影響原油管道機器人的正常工作，因此殼體剛度滿足設計要求。

3 殼體的多目標優化分析

綜上分析可知，當殼體厚度為10 mm時，該殼體完全滿足該工況下的要求，但為了減輕原油管道機器人重量，降低成本，利用ANSYS 19.2的Response Surface Optimization（響應面優化）模塊對殼體進行多目標優化分析[15-17]，以在溫度場與靜力場共同作用下的結果作為優化條件，為其選一個最優的設計方案。

根據原油管道機器人的實際情況，殼體除了承受載荷壓力之外，還要對機器人的一些構件起定位和裝配等作用。因此，殼體厚度不宜過薄，也不宜過厚，5～10 mm為可選范圍。因此在優化時，取殼體厚度范圍為5～10 mm，在此范圍內，殼體最大應力不超過最大許用應力187 MPa，殼體質量最輕為目標約束條件，在此基礎上完成對殼體的最優化設計。

3.1 殼體厚度尺寸優化

進行優化分析時，取殼體厚度變化范圍為5～10 mm，采用latin hypercube sampling design（拉丁超立方抽樣方法）抽樣，取10個等分點進行計算。取殼體厚度作為變量，殼體最大等效應力、最大等效應變、變形和質量作為輸出變量，進行優化，抽樣計算完成后的結果見表2。

由表2分析可得，隨著殼體厚度的減小，殼體的最大變形增大，最大應力和應變減小，但相對變化量較小，最大應力都沒超過材料的許用屈服應力187 MPa。故可得出，原油管道機器人殼體在設定的極端條件下，殼體厚度在5～10 mm的范圍內變化時，對殼體本身的應力和變形影響不大，在此范圍內，殼體的強度和剛度滿足許用要求。

在優化時，設置殼體質量重要程度為高級，優化完成后，得到的3組最優解見表3，因此選擇5.001 1 mm作為殼體的最終優化厚度。

3.2 優化前后對比分析

此次優化將殼體厚度從10 mm優化到5.001 1 mm，但殼體強度和剛度仍然滿足許用要求，優化前后數據對比見表4。

由表4分析可得，優化前后考慮軟件本身計算誤差，殼體的應力減小，幾乎不變形，但殼體質量減少了8.719 05 kg，而且在此條件下，殼體的強度和剛度仍然滿足極限工況下的許用要求，優化效果顯著。

考慮到加工難度及成本，最終選擇殼體厚度為5 mm。

4 溫度和殼體厚度對殼體性能的綜合影響

為了防止原油凝固或氣化，原油在輸出時都要保證一定的溫度，一般為15 ℃，但部分地區對原油的控制溫度較高，如我國的長慶原油要控制在28 ℃[18]，同時考慮到極端特殊情況，如林區極寒地區，管道發生破損等導致原油結冰，使原油管道機器人殼體外側溫度小于0 ℃。因此，為提高管道機器人在各個地區及極端情況下的適應性，同時為實際工程應用提供更加可靠的參考數據，本文進一步分析了原油管道機器人的殼體周圍溫度場發生變化時對殼體綜合性能的影響。同時，為保證殼體厚度為5 mm時，當殼體外側溫度發生變化時，殼體的強度和剛度是否仍滿足要求，本文進一步研究了在殼體外側溫度和殼體厚度發生變化時，對原油管道機器人的殼體綜合性能的影響。

4.1 條件的設定

考慮到殼體對原油管道機器人的綜合作用，設定殼體的厚度變化范圍為5～10 mm，設定靜力場不發生變化，溫度變化范圍為-10～30 ℃，采用latin hypercube sampling design抽樣，取15個等分點進行計算，以殼體厚度和溫度為變化量，殼體的變形和應力為輸出變量，進行分析。

4.2 結果的處理和分析

利用ANSYS中的優化分析模塊對結果進行求解，求解后的殼體厚度和溫度與殼體變形的關系如圖9所示，殼體厚度和溫度與殼體應力的關系如圖10所示。分析可得，在給定的變化條件下，殼體厚度的變化對殼體的綜合性能影響較小，而殼體外側溫度的變化對殼體的綜合性能影響較大。

由圖9分析可得，當殼體外側溫度一定時，隨著殼體厚度的增加，殼體的變形不斷減小;當殼體厚度一定時，隨著殼體外側溫度的增加，殼體的變形不斷增大，且殼體變形隨溫度變化明顯。因此溫度變化對殼體變形的影響較大，但在設定的變量范圍內，最大變形不超過0.28 mm，不會影響到原油管道機器人的正常工作，因此殼體的剛度滿足許用要求。

由圖10分析可得，當殼體外側溫度一定時，隨著厚度的增加，殼體的最大應力不斷增大;當殼體厚度一定時，隨著殼體外側溫度的增加，殼體的最大應力呈現先減小后增大的趨勢，以10 ℃左右為分界點，小于10 ℃，殼體的最大應力隨著溫度的增加而減小，大于10 ℃，殼體的最大應力隨著溫度的增加而增加。因此溫度變化對殼體的最大應力影響較大，但在給定的變量范圍內，殼體的最大應力為177 MPa左右，小于許用應力187 MPa，因此殼體的強度滿足許用要求。

5 結論

該原油管道機器人的殼體優化分析主要是對殼體的厚度進行優化，使殼體輕量化，考慮到殼體除保護殼體內構件不受破壞，殼體還對原油管道機器人中的一部分構件起安裝、定位等作用，因此殼體厚度不宜過薄也不宜過厚，所以最終確定殼體厚度可變化范圍為5～10 mm為佳。經優化分析發現，當殼體厚度在5～10 mm范圍內變化時，在給定的極限工況下，殼體的應力和變形變化較小，且其值都在給定的安全許用要求范圍之內，因此最終確定殼體厚度為5 mm。優化后殼體重量減輕一半，降低了制造成本的同時也減輕了原油管道機器人的整體負重。

為提高管道機器人在各個地區及極端特殊情況下的適應性，同時為實際工程應用提供更加可靠的參考數據，本文進一步研究了在殼體外側溫度和殼體厚度發生變化時，對原油管道機器人的殼體的綜合性能的影響。研究分析發現，溫度對殼體最大變形和應力影響較大，且當殼體外側溫度一定時，殼體的最大變形隨殼體厚度的增加而減小，殼體的最大應力隨厚度的增加而增加，但變化量都較小;當殼體厚度一定時，殼體的最大變形隨溫度的增加而增加，殼體的最大應力隨溫度的增加呈現先減小后增大的趨勢，以10 ℃左右為分界點，小于10 ℃，隨溫度的增加而減小，大于10 ℃，隨溫度的增加而增加。

另外，殼體應力集中位置主要出現在殼體的法蘭固定端及殼體拐角位置，在實際加工過程中，可在這些位置進行結構上的優化，如倒圓角過渡、環肋加強等，降低應力，提高殼體整體性能。

【參 考 文 獻】

[1]王向國， 王國柱. 淺析林區原油開采存在的問題及解決途徑[J]. 能源與節能， 2012，17（9）： 95-97.

WANG X G， WANG G Z. Analysis of forest oil production problems and solutions[J]. Energy and Energy Conservation， 2012， 17（9）： 95-97.

[2]于淳光， 魏紫暄. 電伴熱原油集輸管道保溫層厚度優化分析[J]. 節能技術， 2020， 38（6）： 527-531.

YU C G， WEI Z X. Optimized analysis of insulation layer thickness of electric tracing crude oil gathering and transportation pipeline[J]. Energy Conservation Technology， 2020， 38（6）： 527-531.

[3]呂少龍. 保證油田電伴熱系統節能效果的管理方法[J]. 化學工程與裝備， 2020，49（2）： 117-118.

LYU S L. Management method to ensure the energy-saving effect of electric heating system in oil field[J]. Chemical Engineering & Equipment， 2020， 49（2）： 117-118.

[4]陳浩， 秦雪， 劉小龍， 等. 電伴熱在輪南油田的應用[J]. 江蘇科技信息， 2019， 36（19）： 51-53.

CHEN H， QIN X， LIU X L， et al. Application of electric heating in Lunnan Oilfield[J]. Jiangsu Science & Technology Information， 2019， 36（19）： 51-53.

[5]唐立國. 集膚效應電伴熱在油氣長輸管線中的應用[J]. 中國石油和化工標準與質量， 2014， 34（7）： 254.

TANG L G. Application of skin-effect electric heat tracing in long-distance oil and gas pipelines[J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality， 2014， 34（7）： 254.

[6]張翔宇， 包瑞新， 陳保東， 等. 超稠油環境下管道內修復機器人流場分析[J]. 機械科學與技術， 2020， 39（12）： 1889-1897.

ZHANG X Y， BAO R X， CHEN B D， et al. Analysis of flow field for repairing robots in pipes under super heavy oil environment[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2020， 39（12）： 1889-1897.

[7]楊彩霞， 黎建軍， 許曉東. 支撐式油氣管道機器人機構牽引設計與仿真研究[J]. 中國設備工程， 2020，36（7）： 83-85.

YANG C X， LI J J， XU X D. Traction design and simulation research of supported oil and gas pipeline robot mechanism[J]. China Plant Engineering， 2020， 36（7）： 83-85.

[8]關文信. 基于SolidWorks某水下航行器殼體有限元分析[J]. 機電工程技術， 2020， 49（11）： 131-133.

GUAN W X. Finite element analysis of an underwater vehicle shell based on solid works[J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology， 2020， 49（11）： 131-133.

[9]WU G X， ZHAO X L， SHI D D， et al. Analysis of fluid–structure coupling vibration mechanism for subsea tree pipeline combined with fluent and ANSYS workbench[J]. Water， 2021， 13（7）： 955.

[10]陳巧. 基于有限元法的全回轉吊艙殼體結構分析及優化[J]. 造船技術， 2017，45（1）： 18-22.

CHEN Q. Structure analysis and optimization for rotary pod shell based on finite element method[J]. Marine Technology， 2017， 45（1）： 18-22.

[11]張世義， 黃志祥， 王天周， 等. 1000 MW級核電站上充泵外殼體熱固耦合分析[J]. 液壓與氣動， 2020，44（11）： 113-119.

ZHANG S Y， HUANG Z X， WANG T Z， et al. Thermo-coupling analysis of the outer shell of a 1000 MW nuclear power plant[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2020， 44（11）： 113-119.

[12]黃浩， 劉佳雯， 張蕊. 某商用車鼓式制動器熱固耦合分析[J]. 計算機輔助工程， 2020， 29（4）： 28-31， 72.

HUANG H， LIU J W， ZHANG R. Thermal-structure coupling analysis on drum brake for a commercial vehicle[J]. Computer Aided Engineering， 2020， 29（4）： 28-31， 72.

[13]宮克， 孫東旭， 胡志勇， 等. 保溫原油實驗環道溫度場計算及分析[J]. 石油化工高等學校學報， 2020， 33（5）： 74-79.

GONG K， SUN D X， HU Z Y， et al. Calculation and analysis of temperature field of insulation crude oil experimental loop[J]. Journal of Petrochemical Universities， 2020， 33（5）： 74-79.

[14]劉義翔， 于曉芳， 王希貴. 水產品捕撈機器人耐壓殼體優化分析[J]. 森林工程， 2019， 35（2）： 69-72.

LIU Y X， YU X F， WANG X G. Optimal analysis of pressure hull of underwater fishing robot for aquatic products[J]. Forest Engineering， 2019， 35（2）： 69-72.

[15]劉金標. 基于有限元分析的支撐殼體結構優化設計[J]. 機械工程與自動化， 2015，44（5）： 48-49.

LIU J B. Support shell structure optimization design based on finite element analysis[J]. Mechanical Engineering & Automation， 2015， 44（5）： 48-49.

[16]ZHANG X Q， WANG J L， CHEN H， et al. Statics analysis and topology optimization of support base for airdrop based on ANSYS Workbench[J]. Journal of Physics Conference Series， 2021， 1798（1）： 012030.

[17]WU S， XING J F， DONG L， et al. Multi-objective optimization of microstructure of gravure cell based on response surface method[J]. Processes， 2021， 9（2）： 403.

[18]秦天勇， 王軼梅. 淺析蘭州國儲石油基地電伴熱系統改進[J]. 甘肅科技， 2018， 34（21）： 13-14.

QIN T Y， WANG Y M. Analysis on the improvement of electric heat tracing system in Lanzhou national petroleum reserve base[J]. Gansu Science and Technology， 2018， 34（21）： 13-14.