一种球座冲蚀曲面重构及接触密封可靠性评价方法及系统

本技术涉及冲蚀损伤评价，特别涉及一种球座冲蚀曲面重构及接触密封可靠性评价方法及系统。

背景技术：

1、球座是投球式压裂工具中的关键承压和密封构件。在携砂压裂液通过球座缩径区域的过程中，固体颗粒持续撞击球座内壁，使球座产生随空间位置和服役时间变化的冲蚀损伤。冲蚀形成的局部凹坑、周向偏蚀和高冲蚀带会改变压裂球与球座之间的实际接触位置、接触斑块连续性及接触压力分布，进而影响球座的承压和密封性能。

2、现有球座冲蚀分析虽然能够通过离散相模型获得球座内壁三维面元的冲蚀数据，但在退化形貌重构过程中，通常将三维面元数据沿轴向压缩为一维冲蚀分布，再通过轴向母线旋转生成轴对称退化实体。该处理会消除冲蚀数据在周向上的非均匀性，不能反映偏流、局部颗粒富集或非均匀冲击形成的周向冲蚀差异。

3、同时，直接采用最大面元冲蚀速率容易受到小面积异常面元影响；采用普通平均或无约束平滑容易削弱局部危险冲蚀峰值；采用固定径向扣减方式更新球座几何，不能保证材料去除方向与锥面、过渡面等真实壁面的法向一致。上述误差会进一步传递至压裂球—球座接触位置、接触斑块完整性和密封可靠性评价结果。此外，高分位冲蚀包络虽然能够保留危险冲蚀区域，但其整体积分量可能与原始离散冲蚀数据对应的材料去除量不一致。如果不对二者进行校验，可能造成退化几何的整体材料去除尺度与原始冲蚀输入不匹配。

4、综上所述，现有的球座冲蚀损伤评价技术中，球座冲蚀退化曲面重构精度和接触密封可靠性评价准确性有待提高。

技术实现思路

1、本技术提供了一种球座冲蚀曲面重构及接触密封可靠性评价方法及系统，用以解决现有技术中球座冲蚀退化曲面重构精度和接触密封可靠性评价准确性有待提高的问题。

2、一方面，本技术提供了一种球座冲蚀曲面重构及接触密封可靠性评价方法，包括以下步骤：

3、步骤一，获取球座待评价壁面的三维面元冲蚀数据，建立包含空间坐标、面元面积和冲蚀速率的壁面面元数据集合。

4、步骤二，对所述壁面面元数据集合建立轴向-周期周向球座壁面参数域，利用重叠联合统计窗口获得参数分区面元集合。

5、步骤三，对所述参数分区面元集合以面元实际面积为权重构造面积加权分位数冲蚀包络。

6、步骤四，对所述面积加权分位数冲蚀包络进行带危险峰值保持和周期连续约束的平滑处理，得到三维保峰约束平滑曲面。

7、步骤五，根据所述三维保峰约束平滑曲面计算当前壁面法向量和法向退化深度，沿法向更新球座壁面，得到三维退化曲面。

8、步骤六，对所述三维退化曲面进行材料去除量和几何体积变化一致性校验，修正质量归一化系数，得到通过校验的三维退化曲面。

9、步骤七，建立压裂球与所述通过校验的三维退化曲面的接触模型，筛选有效接触斑块，计算压力加权接触中心轨迹、面积加权平均接触压力、接触应力、局部有效接触宽度和周向覆盖率，并由所述压力加权接触中心轨迹得到接触中心偏移。

10、步骤八，根据法向退化深度、所述面积加权平均接触压力、所述接触应力、所述接触中心偏移和所述周向覆盖率构建三维密封风险场，输出密封可靠性指数和风险等级。

11、在一种可能的实现方式中，步骤一中，获取球座待评价壁面的三维面元冲蚀数据，对每一面元建立空间坐标、面元面积和冲蚀速率的一一对应记录；所述冲蚀速率表示单位时间内单位壁面面积的材料质量损失量；当输入数据采用质量损失量、体积损失量或者法向退化深度作为冲蚀表征量时，根据对应面元面积、作用时间和球座材料密度，将所述冲蚀表征量换算为所述冲蚀速率；建立包含空间坐标、面元面积和冲蚀速率的壁面面元数据集合，删除面积不大于零、坐标无效和冲蚀速率为负的非物理记录。

12、在一种可能的实现方式中，步骤二中，将壁面面元数据配准至球座基准坐标系，建立由轴向参数和周期周向参数构成的壁面参数域；计算每一面元的轴向参数和周向参数，在壁面参数域内设置轴向输出节点和周向输出节点，以每个输出节点为中心建立轴向和周向重叠联合统计窗口；周向采用周期角距离度量首尾相接关系，使位于0°和360°附近的面元进入同一统计邻域，形成参数分区面元集合。

13、在一种可能的实现方式中，步骤三中，所述以面元实际面积为权重构造面积加权分位数冲蚀包络包括：

14、针对每个联合统计窗口，提取有效面元的冲蚀速率和面元面积，按照冲蚀速率由小到大排列，计算不大于任一冲蚀速率阈值的面元累计面积占窗口内全部有效面元面积的比例；以面积加权累计分布确定面积加权分位数冲蚀速率和面积加权平均冲蚀速率，构造e90、e95和e99分位数冲蚀速率曲面，即所述面积加权分位数冲蚀包络；根据窗口有效面元数量和有效覆盖面积设置可信度权重，用于后续平滑拟合。

15、在一种可能的实现方式中，步骤四中，所述带危险峰值保持和周期连续约束的平滑处理包括：

16、对轴向参数和周向参数进行归一化，以可信度权重为数据拟合权重，以所述面积加权分位数冲蚀包络为拟合对象，建立包含数据拟合项、轴向二阶变化惩罚项、周向二阶变化惩罚项和轴向-周向耦合变化惩罚项的平滑目标函数；在平滑过程中设置危险峰值保持约束、面积积分保持约束、不同分位数曲面序保持约束以及周向函数值和周期导数连续约束，得到三维保峰约束平滑曲面。

17、在一种可能的实现方式中，步骤五中，将所述三维保峰约束平滑曲面作为冲蚀速率曲面，根据当前三维壁面对轴向参数和周向参数的切向量计算指向球座实体内部的单位法向量，即当前壁面法向量；以冲蚀速率曲面在参数域的面积积分与原始面元冲蚀积分一致为条件计算质量归一化系数，将冲蚀速率曲面换算为法向退化深度；沿当前壁面法向更新壁面节点，得到临时退化曲面，再通过保持周向周期连续性的曲面重插值得到三维退化曲面，并以局部面积雅可比阈值防止曲面折叠。

18、在一种可能的实现方式中，步骤六中，根据原始壁面面元冲蚀数据积分得到第一材料去除质量，根据退化前后球座实体体积差得到第二材料去除质量，计算第一材料去除质量与第二材料去除质量的相对一致性误差；当所述相对一致性误差超过预设一致性阈值时，按修正公式更新质量归一化系数，重新计算法向退化深度并执行步骤五中的曲面更新；当所述相对一致性误差不超过预设一致性阈值，且几何有效性满足要求时，得到通过校验的三维退化曲面。

19、在一种可能的实现方式中，步骤七中，将通过校验的三维退化曲面直接构造成球座接触面，建立压裂球与球座接触面的接触模型，在理论密封带邻域内提取正接触压力记录，根据面积加权分位数参考压力和最低有效接触压力筛选候选接触记录；对候选接触记录进行连通分量识别，按面积贡献或载荷贡献保留有效接触斑块；将有效接触区域按周向分区，计算压力加权接触中心轨迹、面积加权平均接触压力、接触应力、局部有效接触宽度和周向覆盖率，并由所述压力加权接触中心轨迹计算接触中心偏移。

20、在一种可能的实现方式中，步骤八中，针对每个参数单元，将法向退化深度与允许法向退化深度之比、接触压力不足程度、接触应力超限程度和压力加权接触中心偏移程度分别进行归一化，其中接触压力不足程度由所述面积加权平均接触压力确定，接触应力超限程度由所述接触应力确定，压力加权接触中心偏移程度由所述接触中心偏移确定；将归一化量与法向退化深度风险权重、压力不足风险权重、应力超限风险权重和接触中心偏移风险权重组合，得到局部密封风险值；将全部局部密封风险值按参数域排列形成三维密封风险场；以面积加权平均风险、面积加权高分位风险和周向接触覆盖不足加权合成三维密封综合风险指标，其中周向接触覆盖不足由所述周向覆盖率确定，并由三维密封综合风险指标确定密封可靠性指数和风险等级。

21、另一方面，本技术提供了一种球座冲蚀曲面重构及接触密封可靠性评价系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种球座冲蚀曲面重构及接触密封可靠性评价方法的步骤。

22、本技术中的一种球座冲蚀曲面重构及接触密封可靠性评价方法及系统，具有以下优点：

23、通过建立轴向-周期周向参数域并以面积加权分位数包络驱动三维保峰平滑和法向重构，再结合接触模型与三维密封风险场评价，提高了球座冲蚀退化曲面重构精度和接触密封可靠性评价准确性。

24、通过将三维面元冲蚀数据统一换算为冲蚀速率并删除面积、坐标或速率为非物理的记录，提高了壁面面元数据的一致性与有效性，避免单位不一致和异常值干扰后续退化曲面重构。

25、通过将壁面面元配准至球座基准坐标系并利用周期角距离建立重叠联合统计窗口，提高了轴向和周向邻域划分的连续性，避免周向首尾接缝和曲率变化引起的人为统计不连续。

26、通过以面元实际面积为权重构造面积加权分位数冲蚀包络，提高了危险冲蚀区域的保留能力，避免小面积高值面元过度影响统计包络，使冲蚀退化表征更符合真实材料去除分布。

27、通过对归一化参数域建立含轴向、周向及耦合惩罚项的平滑目标函数并设置危险峰值保持和周期连续约束，提高了冲蚀曲面的平滑性与保真度，抑制非物理振荡同时维持危险峰值和周期连续。

28、通过将三维保峰约束平滑曲面作为冲蚀速率曲面并沿真实壁面法向计算法向退化深度，再经重插值和面积雅可比阈值防止折叠，提高了退化曲面空间位置准确性和几何有效性。

29、通过分别从原始面元冲蚀数据和退化前后实体体积差计算材料去除质量并进行一致性校验与迭代修正，提高了重构退化几何与原始冲蚀数据之间材料去除量的一致性，保证后续评价可信度。

30、通过将三维退化曲面直接构造为接触面并采用稳健压力门槛、理论密封带邻域和拓扑连通性筛选有效接触斑块，提高了有效接触区域识别准确性，排除孤立数值点和远离密封带的非密封接触。

31、通过将法向退化深度、接触压力、接触应力和接触中心偏移归一化后加权构建三维密封风险场，并综合周向覆盖不足形成可靠性指标，提高了冲蚀退化球座密封风险评价的全面性和可靠性。