CN107145635A - 基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法 - Google Patents

基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，包括预设目标参数、迭代法取样、约束函数求解设计、校核函数验证筛除、目标函数选值优化、接管补强设计优化。预设容积V，设计压力P，材料种类；基于迭代法选取一组定步长内径Di数据；内径Di代入约束函数求解出压力容器结构设计方案数据；采用校核函数验证筛除不合理设计方案数据；各组设计方案数据代入目标函数，依据质量大小对设计方案排序输出，采用迭代法优化设计接管与补强，得到耗材最少的方案。本发明在压力容器设计过程中有效减少材料消耗，降低生产成本，同时保证品质安全、满足使用和制造工艺要求。

Description

基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，特别设计压力容器结构参数设计，属于压力容器优化设计领域。
背景技术
压力容器是指专门用来盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，按承受压力的等级分为：低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。
由于压力容器并非属于气、液动力机械的核心部件，企业对其缺乏足够的重视，普遍缺乏对压力容器进行轻量化优化设计和精细化生产管理的理念。虽然国内有人对压力容器优化设计进行了研究，但这些研究仅局限于壳体部分的轻量化设计的理论研究，未考虑材料利用率、制造工艺要求可能对容器整体材料消耗重量的影响，同时也极少涉及接管补强的优化设计，因此对指导设计人员开展压力容器的整体轻量化设计不具有实际应用价值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法。
基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，包括预设目标参数、迭代法取样、约束函数求解设计、校核函数验证筛除、目标函数选值优化。
所述的预设目标参数依据实际市场需求包括：容积V，设计压力P，材料种类。
所述的迭代法取样选取一组定步长内径Di数据，且满足Di min≥150mm，Di max≤5000mm。
基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法的约束函数为：
(1)封头直边段的圆筒长度L约束函数为：
(2)筒体计算壁厚约束函数为：
考虑腐蚀裕量，筒体名义壁厚δ1n为δ1+C1+C2向上圆整0.5的整数倍；
(3)封头计算厚度约束函数为：
考虑腐蚀裕量，封头名义厚度δ2n为1.12(δ2+C1+C2)向上圆整0.5的整数倍。
基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法的校核函数为：
(1)筒体刚度校核函数为：(δ1n-C1-C2)≥3mm；
(2)封头刚度校核函数为：(δ2n-C1-C2)≥3mm且满足(δ2n-C2-C1)≥0.15％Di；
(3)应力校核函数为：
所述的目标函数为：
计算出各内径设计方案对应的压力容器质量，并按照质量从小到大对各组设计方案进行排序并输出电子表格，其中当Di≤2000时，h＝25；Di＞2000时，h＝40。
所述的接管补强迭代优化设计的步骤包括预设接管目标函数、确定迭代参数、目标函数迭代求解，所述的接管补强迭代优化设计分为接管投料厚度优化和补强圈厚度优化两种优化方式。
所述的接管目标函数为Ae≥A，其中A＝dopδ1+2δ1δet(1-fr)，
(1)接管投料厚度优化时不考虑补强圈，求解接管投料厚度δnt的最小值，Ae＝A1+A2+A3；
(2)补强圈厚度优化时已知接管投料厚度δnt，求解补强圈厚度δQ，Ae＝A1+A2+A3+A4；
其中，
A2＝2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr，当δnt≥6时A3＝18mm2；
其中，fr＞1.0时，取fr＝1.0，dop＝Do-2(δnt-C2)，δet＝δnt-C2
其中B为B＝2dop与B＝dop+2δ1n+2δnt两者中较大值，当允许内伸时，接管计算结果输出的最小内伸高度应取与之间的较大值；当接管不允许有内伸高度时，h2取0。
所述的迭代参数以0.1mm为步长，在接管投料厚度优化时迭代参数为接管投料厚度δnt，δnt初始值为δt+C2计算结果向上圆整取到小数点后一位，其中在补强圈厚度优化时迭代参数为补强圈厚度δQ，δQ初始值为0。
所述的目标函数迭代求解算出满足目标函数下最小的迭代参数
(1)接管投料厚度优化：若迭代结果满足则建议采用补强圈进行补强
(2)补强圈厚度优化：接管投料厚度δnt应满足，
使用本发明，能根据目标参数进行强度、刚度的设计计算，得到压力容器系列设计方案，方便压力容器设计人员综合考虑各种因素后快速筛选出最为经济合理且满足法规标准要求的设计方案。同时能够进行接管的设计和优化补强，得到耗材最少的接管设计，弥补当前压力容器优化设计领域中接管补强优化方面的缺陷，保证压力容器连接的强度。采用该优化设计有效帮助企业降低材料消耗、节约制造成本、增强市场竞争力服务，同时保证品质安全、满足使用和制造工艺要求，具有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为压力容器的优化设计方法的相关尺寸的示意图；
图2为压力容器的优化设计方法的流程图。
符号说明：容积V，设计压力P，内径Di，封头直边段的圆筒长度L，筒体计算壁厚δ1，筒体名义厚度δ1n，封头计算厚度δ2，封头名义厚度δ2n，设计温度下许用应力[σ]t，焊接接头系数材料厚度负偏差C1，腐蚀裕量C2，试验温度下许用应力[σ]，水密度ρ水，材料室温屈服强度ReL，封头直边段高度h，压力容器材料消耗重量M，材料密度ρ，接管公称外径d1，接管投料厚度δnt，接管外径Do，补强圈厚度δQ，筒体开孔所需补强面积A，设计温度下接管许用应力，开孔直径dop，接管有效厚度δet，可作为补强的截面积Ae，壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A1，接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A2，焊缝金属截面积A3，补强圈面积A4，有效宽度B，外伸接管有效补强高度h1，内伸接管有效补强高度h2，接管焊缝系数φt，设计温度下接管与壳体许用应力比值fr。
具体实施方式
如图2所示，基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，包括预设目标参数、迭代法取样、约束函数求解设计、校核函数验证筛除、目标函数选值优化。
如图1所示，预设目标参数依据实际市场需求包括：容积V，设计压力P，材料种类。
迭代法取样选取一组定步长内径Di数据，且满足Di min≥150mm，Di max≤5000mm。
所述的迭代法取样选取一组定步长内径Di数据，且满足Di min≥150mm，Di max≤5000mm。
基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法的约束函数为：
(1)封头直边段的圆筒长度L约束函数为：
(2)筒体计算壁厚约束函数为：
考虑腐蚀裕量，筒体名义壁厚δ1n为δ1+C1+C2向上圆整0.5的整数倍；
(3)封头计算厚度约束函数为：
考虑腐蚀裕量，封头名义厚度δ2n为1.12(δ2+C1+C2)向上圆整0.5的整数倍。
基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法的校核函数为：
(1)筒体刚度校核函数为：(δ1n-C1-C2)≥3mm；
(2)封头刚度校核函数为：(δ2n-C1-C2)≥3mm且满足(δ2n-C2-C1)≥0.15％Di；
(3)应力校核函数为：
所述的目标函数为：
计算出各内径设计方案对应的压力容器质量，并按照质量从小到大对各组设计方案进行排序并输出电子表格，其中当Di≤2000时，h＝25；Di＞2000时，h＝40。
所述的接管补强迭代优化设计的步骤包括预设接管目标函数、确定迭代参数、目标函数迭代求解，所述的接管补强迭代优化设计分为接管投料厚度优化和补强圈厚度优化两种优化方式。
所述的接管目标函数为Ae≥A，其中A＝dopδ1+2δ1δet(1-fr)，
(1)接管投料厚度优化时不考虑补强圈，求解接管投料厚度δnt的最小值，Ae＝A1+A2+A3；
(2)补强圈厚度优化时已知接管投料厚度δnt，求解补强圈厚度δQ，Ae＝A1+A2+A3+A4；
其中，A1＝(B-dop)(δ1e-δ1)-2δet(δ1e-δ1)(1-fr)，
A2＝2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr，当δnt≥6时A3＝18mm2；
其中，fr＞1.0时，取fr＝1.0，dop＝Do-2(δnt-C2)，δet＝δnt-C2
其中B为B＝2dop与B＝dop+2δ1n+2δnt两者中较大值，当允许内伸时，接管计算结果输出的最小内伸高度应取与之间的较大值；当接管不允许有内伸高度时，h2取0。
所述的迭代参数以0.1mm为步长，在接管投料厚度优化时迭代参数为接管投料厚度δnt，δnt初始值为δt+C2计算结果向上圆整取到小数点后一位，其中在补强圈厚度优化时迭代参数为补强圈厚度δQ，δQ初始值为0。
所述的目标函数迭代求解算出满足目标函数下最小的迭代参数
(1)接管投料厚度优化：若迭代结果满足则建议采用补强圈进行补强
(2)补强圈厚度优化：接管投料厚度δnt应满足，

Claims (10)

1.一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，它包括如下步骤：
1)预设目标参数；
2)迭代法取样；
3)约束函数求解设计；所述的约束函数包括封头直边段的圆筒长度L约束函数、筒体计算壁厚约束函数、封头计算厚度约束函数；
4)校核函数验证筛除；所述的校核函数包括筒体刚度校核函数、封头刚度校核函数、应力校核函数；
5)目标函数选值优化；
6)接管补强设计优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，其特征在于所述的预设目标参数包括容积V、设计压力P和材料种类。
3.根据权利要求1所述的一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，其特征在于所述的迭代法取样为选取一组定步长内径Di数据，且满足Dimin≥150mm，Dimax≤5000mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，其特征在于所述的约束函数具体为：
(1)封头直边段的圆筒长度L约束函数为：
(2)筒体计算壁厚约束函数为：
考虑腐蚀裕量，筒体名义壁厚δ1n为δ1+C1+C2向上圆整0.5的整数倍；
(3)封头计算厚度约束函数为：
考虑腐蚀裕量，封头名义厚度δ2n为1.12(δ2+C1+C2)向上圆整0.5的整数倍；
其中，容积V，设计压力P，内径Di，包括封头直边段的圆筒长度L，筒体计算壁厚δ1，筒体名义厚度δ1n，封头计算厚度δ2，封头名义厚度δ2n，设计温度下许用应力[σ]t，焊接接头系数材料厚度负偏差C1，腐蚀裕量C2。
5.根据权利要求1所述的一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，其特征在于所述的校核函数验证筛除为：
(1)筒体刚度校核函数为：(δ1n-C1-C2)≥3mm；
(2)封头刚度校核函数为：(δ2n-C1-C2)≥3mm且满足(δ2n-C2-C1)≥0.15％Di；
(3)应力校核函数为：
[1.25P[σ]/[σ]t+(L+Di/2+δ2n+200)ρ水×9.8×10-9](Di+δ1n-C1-C2)/[2(δ1n-C1-C2)φ]≤0.9ReL
其中，筒体名义厚度δ1n，封头计算厚度δ2，封头名义厚度δ2n，设计温度下许用应力[σ]t，焊接接头系数材料厚度负偏差C1，腐蚀裕量C2，试验温度下许用应力[σ]，水密度ρ水，材料室温屈服强度ReL，材料密度ρ。
6.根据权利要求1所述的一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，其特征在于所述的目标函数为：
<mrow> <mi>M</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>&amp;pi;&amp;delta;</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>9</mn> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;rho;&amp;pi;&amp;delta;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>D</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mn>3</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>5</mn> <mn>6</mn> </mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mn>3</mn> </mfrac> <msubsup> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>h</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>9</mn> </mrow> </msup> </mrow>
计算出各内径设计方案对应的压力容器质量，并按照质量从小到大对各组设计方案进行排序并输出电子表格，其中当Di≤2000时，h＝25；Di＞2000时，h＝40；内径Di，封头直边段的圆筒长度L，筒体名义厚度δ1n，封头名义厚度δ2n，封头直边段高度h，压力容器材料消耗重量M，材料密度ρ。
7.根据权利要求1所述的一种基于数值迭代法的压力容器轻量化优化设计方法，其特征在于所述的接管补强迭代优化设计的步骤包括预设接管目标函数、确定迭代参数、目标函数迭代求解，所述的接管补强迭代优化设计分为接管投料厚度优化和补强圈厚度优化两种优化方式。
8.根据权利要求7所述的接管补强迭代优化设计，其特征在于所述的接管目标函数为Ae≥A，其中A＝dopδ1+2δ1δet(1-fr)，
(1)接管投料厚度优化时不考虑补强圈，求解接管投料厚度δnt的最小值，Ae＝A1+A2+A3；
(2)补强圈厚度优化时已知接管投料厚度δnt，求解补强圈厚度δQ，Ae＝A1+A2+A3+A4；
其中，A1＝(B-dop)(δ1e-δ1)-2δet(δ1e-δ1)(1-fr)，A2＝2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr，当δnt≥6时A3＝18mm2；
其中，fr＞1.0时，取fr＝1.0，dop＝Do-2(δnt-C2)，δet＝δnt-C2
其中B为B＝2dop与B＝dop+2δ1n+2δnt两者中较大值，当允许内伸时，接管计算结果输出的最小内伸高度应取与之间的较大值；当接管不允许有内伸高度时，h2取0。
9.根据权利要求7所述的接管补强迭代优化设计，其特征在于所述的迭代参数以0.1mm为步长，在接管投料厚度优化时迭代参数为接管投料厚度δnt，δnt初始值为δt+C2计算结果向上圆整取到小数点后一位，其中在补强圈厚度优化时迭代参数为补强圈厚度δQ，δQ初始值为0。
10.根据权利要求7所述的接管补强迭代优化设计，其特征在于所述的目标函数迭代求解为算出满足目标函数下最小的迭代参数，
(1)接管投料厚度优化：若迭代结果满足则建议采用补强圈进行补强；
(2)补强圈厚度优化：接管投料厚度δnt应满足，φt＝1。
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