CN115906338B - 一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法，包括如下步骤：步骤1：运用建模软件对烧结炉炉门端盖结构进行三维建模，构建烧结炉炉门端盖的局部模型；步骤2：对烧结炉炉门端盖前端部分进行变厚度结构优化设计，通过更改炉门端盖前端部分的厚度来优化炉门端盖结构；步骤3：采用有限元分析软件对炉门端盖有限元模型进行求解，运用Optimal Space‑Filling Design试验设计方法训练样本数据，获得不同炉门端盖结构的当量应力分布云图；步骤4：根据分析设计标准，通过Optimal Space‑Filling Design法获得样本数据点，结合Kriging近似建模方法建立炉门端盖优化目标的近似模型；步骤5：通过MOGA多目标遗传优化算法并结合样本数据结果的比对，获得最佳优化的炉门端盖前端厚度。
Description
技术领域
本发明涉及烧结炉，尤其涉及烧结炉炉门。
背景技术
烧结炉在冶金行业中有着非常广泛的应用，其中炉门端盖结构是烧结炉的关键结构，在进、出料过程中使用频繁，其性能的好坏影响产品生产质量和效率。烧结炉的服役条件苛刻，对炉门端盖的研发和制造环节都提出了更高的要求。常规设计在复杂工况条件下，不能有效计算外部载荷对炉门端盖结构所产生的影响，这样会造成一定安全问题，且炉门端盖前端部分的厚度设计尺寸往往较为保守。采用有限元分析计算方法，能有效获得外部载荷作用下炉门端盖的应力分布情况，根据分析设计标准对炉门端盖前端结构进行变厚度设计，可以在满足设计要求的前提下实现轻量化，从而降低成本。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法，从而获取最佳的炉门端盖前端厚度。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法，包括如下步骤：
步骤1：运用建模软件对烧结炉炉门端盖结构进行三维建模；
构建烧结炉炉门端盖的局部模型，所述的局部模型包括炉门端盖，卡箍，筒体法兰，内筒体和夹套；
步骤2：对烧结炉炉门端盖前端部分进行厚度结构优化设计，得到烧结炉炉门端盖有限元模型；
有限元分析软件中对烧结炉炉门端盖前端部分进行参数化设定，通过更改炉门端盖前端部分的厚度来优化烧结炉炉门端盖结构；并对烧结炉炉门端盖结构模型进行网格划分，接触设置，施加边界条件和载荷；
步骤3：采用有限元分析软件对烧结炉炉门端盖有限元模型进行求解，通过Optimal Space-Filling Design试验设计方法训练样本数据，从而获得不同炉门端盖结构的当量应力分布云图与位移变化云图；
步骤4：根据分析设计标准，通过Optimal Space-Filling Design法获得样本数据点，运用Kriging近似建模方法建立炉门端盖优化目标的近似模型；
Kriging近似建模方法假设
为观测的需要估计的点，/>
为周围的观测点，观测点对应为/>
；由相邻观测点的已知观测值加权取和求得：
式中
为待定加权系数；N代表点数量；/>
未观测的估值；/>
观测点对应值；
步骤5：运用MOGA多目标遗传算法进行优化迭代计算，对其模型进行相关优化，对比获得最佳的炉门端盖前端厚度；该优化模型计算属于多目标优化问题，其中多目标优化问题表达式为：
式中：
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在一较佳实施例中：步骤1中根据结构对称性，仅圆周四分之一来构建烧结炉炉门端盖结构来进行有限元分析，建立烧结炉炉门端盖的局部模型。
在一较佳实施例中：步骤2中在有限元软件中对烧结炉卡箍结构进行网格尺寸的设定和网格划分方法的选定；炉门端盖和卡箍采用WSTE460材料，其弹性模量为210000MPa,泊松比为0.3；内筒体采用P460NH材料，其杨氏模量为201390 MPa，泊松比为0.3；夹套采用P265GH材料，其杨氏模量为210000 MPa，泊松比为0.3。
在一较佳实施例中：步骤2中烧结炉炉门端盖结构边界条件为：在远离炉门端盖的内筒体和夹套远端截面上施加轴向位移约束，以及在两个剖分面上施加对称约束；烧结炉炉门端盖结构载荷条件为：在内筒体与操作介质接触的内表面施加P1=11MPa的设计压力，也即是炉门盖内侧；夹套与操作介质接触的表面施加P2=0.7MPa的设计压力；烧结炉炉门端盖结构的接触设置为：在炉门端盖和卡箍的相接触的位置进行设置接触对，其中卡箍的接触面设为主面，炉门端盖的接触面为从面，法向接触刚度为0.1，摩擦系数为0.2；在卡箍和筒体法兰相接触的位置进行设置接触对，其中筒体法兰的接触面为主面，卡箍的接触面为从面，法向接触刚度为0.1，摩擦系数为0.2；以及在炉门端盖和筒体法兰相接触的位置进行设置接触对，其中，筒体法兰的接触面为主面，炉门端盖的接触面为从面，法向接触刚度都为0.1，摩擦系数为0.2。
附图说明
图1为烧结炉炉门端盖的局部模型图；
图2为烧结炉炉门端盖设计变量位置示意图；
图3 为近似模型搭建流程图；
图4 为炉门端盖前端厚度的应力与位移变化云图灵敏度图；
图5 为炉门端盖前端厚度的应力的响应面数据；
图6 为炉门端盖前端厚度的位移的响应面数据；
图7为炉门端盖前端厚度关于应力与位移的真实值与预测值图；
图8 为炉门端盖前端厚度优化算法迭代后数据图；
图9 为炉门端盖前端优化前的应力云图；
图10 为炉门端盖前端优化前的位移云图；
图11 为炉门端盖前端优化后的应力云图；
图12 为炉门端盖前端优化后的位移云图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的一个实施例烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法，包括如下步骤：
第一步：运用建模软件对烧结炉炉门端盖结构进行三维建模，构建烧结炉炉门端盖的局部模型，包括构建炉门端盖，卡箍，筒体法兰，内筒体和夹套。
具体来说，运用建模软件构建烧结炉炉门端盖结构模型，包括构建炉门端盖，筒体法兰，卡箍，内筒体和夹套。然后根据结构对称性，仅取圆周四分之一来构建烧结炉炉门端盖结构来进行有限元分析，建立的烧结炉炉门端盖结构局部模型，如图1所示。
第二步：对烧结炉炉门端盖前端部分进行变厚度结构设计，对烧结炉炉门端盖前端部分进行变厚度结构设计。炉门端盖前端部分的厚度设计尺寸较为保守，为增加其结构强度，对端盖前端部分进行厚度的结构优化。在有限元软件中对烧结炉炉门端盖前端部分进行参数化设定，作为优化设计评定计算样本训练的数据输入参数，拟通过更改炉门端盖前端部分的厚度来优化炉门端盖结构；炉门端盖厚度b的厚度为5mm至30mm，如图2所示。
第三步：对烧结炉炉门端盖局部模型进行网格划分，接触设置，施加边界条件和载荷。其中，其中在内筒体施加11MPa，夹套施加0.7MPa的设计压力，在炉门端盖，卡箍和筒体法兰相互接触的位置施加接触，并在远离炉门端盖的内筒体和夹套远端截面上施加轴向约束，在模型的剖分面上施加对称约束。
在有限元软件中对不同烧结炉卡箍结构模型，并进行网格划分。烧结炉炉门端盖结构的材料是均匀连续，各向同性的，其中法兰，炉门端盖和卡箍采用WSTE460材料，其弹性模量为210000MPa,泊松比为0.3，内筒体采用P460NH材料，其杨氏模量为201390 MPa，泊松比为0.3，夹套采用P265GH材料，其杨氏模量为210000 MPa，泊松比为0.3。烧结炉炉门端盖结构边界条件为，在远离炉门端盖的内筒体和夹套远端截面上施加轴向位移约束，以及在两个剖分面上施加对称约束。烧结炉炉门端盖结构载荷条件为，在内筒体的内表面与炉门盖内侧施加P1=11MPa的设计压力；夹套内表面施加P2=0.7MPa的设计压力烧结炉炉门端盖结构的接触设置为。在炉门端盖和卡箍的接触位置进行接触设置，其中卡箍的接触面设为主面，炉门端盖的接触面为从面，法向接触刚度为0.1，摩擦系数为0.2；在卡箍和筒体法兰相接触的位置进行设置接触对，其中筒体法兰的接触面为主面，卡箍的接触面为从面，法向接触刚度为0.1，摩擦系数为0.2；以及在炉门端盖和筒体法兰相接触的位置进行设置接触对，其中，筒体法兰的接触面为主面，炉门端盖的接触面为从面，法向接触刚度都为0.1，摩擦系数为0.2。
第四步：利用有限元软件对炉门端盖局部有限元模型进行求解，通过OptimalSpace-Filling Design试验设计方法训练样本数据，获得炉门端盖结构的当量应力分布云图与位移变化云图，并将其进行作为优化分析时样本训练的数据输出和优化目标。
第五步：根据分析设计标准，通过Optimal Space-Filling Design试验设计方法采用最少的设计点填充设计空间来获得样本数据点，运用Kriging近似模型法建立炉门端盖优化目标的近似模型。其中Kriging近似模型法又称为空间局部差值法，是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域变化量进行无偏最优估计的一种方法。假设
为观测的需要估计的点，/>
为周围的观测点，观测点对应为/>
。由相邻观测点的已知观测值加权取和求得：
式中
为待定加权系数；N代表点数量；/>
未观测的估值；/>
观测点对应值；
近似模型主要包括以下内容：
1.样本数据的采集，利用DOE试验设计获得样本数据；
2.选择近似模型类型，并生成近似模型；
3.近似模型的验证，通过计算模型的近似误差，验证模型预测的效果；
4.若误差过大，模型的可信度不够，则需要通过增加更多的样本数据或更改模型参数等方法提高模型可信度；若近似模型具有足够的可信度，则可以说使用近似模型替代仿真程序。
从而建立相关的响应面模型，近似模型的流程图如图3所示。
最后通过MOGA多目标遗传算法进行优化迭代计算，之后对其模型进行相关优化，对比获得最佳的炉门端盖前端厚度。通过对Kriging近似建模方法建立的近似模型优化分析时，需要选取优化目标与设计变量的设定。其中优化目标有两个分别为位移和应力峰值，所以优化模型计算属于多目标优化问题。MOGA多目标遗传算法优化过程如下所示：随机产生一个初始种群，计算各点的目标函数值，基于最优的概念对种群中每一个个体进行排序，排序方法是将群体中的每个成员与群体中支配该个体的所有其他个体的数目相关联。考虑群体成员的级别和群体的平均适应度数值，其赋值过程是：先将群体进行个体级别排序；然后根据预先设定的函数对最高级别至最低级别的个体进行插值；最后让具有相同级别的个体拥有平均的适应度值。这种方法可以保证群体中相同级别的成员具有相等的分布频率，以适当的选择压力维持一个整体稳定的群体适应度。然后通过选择交叉变异产生新的子代种群。实际工程优化问题大多数都是多目标优化问题。针对多目标优化问题，多目标优化问题的数学表达为：
式中：
是第/>
个设计变量，/>
为设计变量的总数；/>
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个设计变量取值上下限，/>
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个子目标函数，/>
是子目标函数的总数；/>
为第/>
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是不等式约束的总数；/>
为第/>
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是等式约束的总数。
经过Optimal Space-Filling Design试验设计方法得到的炉门端盖前端厚度的应力与位移变化云图灵敏度图如图4所示。由Kriging近似模型法建立得到应力与位移的响应面数据图如图5和6所示。炉门端盖前端厚度的应力与位移的真实值与预测值图如图7所示。图8 为炉门端盖前端厚度优化算法迭代后数据图。通过后期将优化最佳厚度值的炉门端盖模型进行有限元分析，分析优化前后的数据对比如下：
1.优化前的炉门端盖前端厚度b为29.5mm，炉门端盖的应力云图如图9所示，其应力最大值为175.18Mpa，位移云图如图10所示，位移最大值为0.696mm。
2.优化后的炉门端盖前端厚度b为20.7254mm，炉门端盖的应力云图如图11所示，其应力最大值为131.65Mpa，位移云图如图12所示，位移最大值为0.75934mm。
通过比较可以发现，经过优化设计迭代计算评定之后炉门端盖的应力得到大幅度的降低，虽然位移相对略有增加，但是均在设计评定符合范围内。同时比较发现经过优化设计迭代计算评定之后的炉门端盖前端厚度显著减小，炉门端盖结构强度改善效果明显，优化后的炉门端盖在满足设计评定要求的前提下实现轻量化，从而降低成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (4)
1.一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：运用建模软件对烧结炉炉门端盖结构进行三维建模；
构建烧结炉炉门端盖的局部模型，所述的局部模型包括炉门端盖，卡箍，筒体法兰，内筒体和夹套；
步骤2：对烧结炉炉门端盖前端部分进行厚度结构优化设计，得到烧结炉炉门端盖有限元模型；
在有限元分析软件中对烧结炉炉门端盖前端部分进行参数化设定，通过更改炉门端盖前端部分的厚度来优化烧结炉炉门端盖结构；并对烧结炉炉门端盖结构模型进行网格划分，接触设置，施加边界条件和载荷条件；
步骤3：采用有限元分析软件对烧结炉炉门端盖有限元模型进行求解，通过OptimalSpace-Filling Design试验设计方法训练样本数据，从而获得不同炉门端盖结构的当量应力分布云图与位移变化云图；
步骤4：根据分析设计标准，通过Optimal Space-Filling Design试验设计方法获得样本数据点，运用Kriging近似建模方法建立炉门端盖优化目标的近似模型；
Kriging近似建模方法假设x0为观测的需要估计的点，x1、x2……xN为周围的观测点，观测点对应为y(x1),y(x2),...,y(xN)；由相邻观测点的已知观测值加权取和求得：
式中λi为待定加权系数；N代表点数量；
为未观测的估值；y(xN)为观测点对应值；
步骤5：运用MOGA多目标遗传算法进行优化迭代计算，对炉门端盖优化目标的近似模型进行相关优化，对比获得最佳的炉门端盖前端厚度；该炉门端盖优化目标的近似模型计算属于多目标优化问题，其中多目标优化问题表达式为：
Minimize fm(x),m＝1,2,…,M
式中：Xi是第i个设计变量，n为设计变量的总数；
和/>
为第i个设计变量取值上下限，fm(x)为第m个子目标函数，m是子目标函数的总数；gj(x)为第j个不等式约束条件，J是不等式约束的总数；hk(x)为第k个等式约束条件，K是等式约束的总数。
2.如权利要求1所述的一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法，其特征在于：步骤1中根据结构对称性，仅圆周四分之一来构建烧结炉炉门端盖结构来进行有限元分析，建立烧结炉炉门端盖的局部模型。
3.如权利要求1所述的一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法，其特征在于：步骤2中在有限元软件中对烧结炉卡箍结构进行网格尺寸的设定和网格划分方法的选定；炉门端盖和卡箍采用WSTE460材料，其弹性模量为210000MPa,泊松比为0.3；内筒体采用P460NH材料，其杨氏模量为201390MPa，泊松比为0.3；夹套采用P265GH材料，其杨氏模量为210000MPa，泊松比为0.3。
4.如权利要求1所述的一种烧结炉炉门端盖的优化设计评定方法，其特征在于：步骤2中烧结炉炉门端盖结构边界条件为：在远离炉门端盖的内筒体和夹套远端截面上施加轴向位移约束，以及在两个剖分面上施加对称约束；烧结炉炉门端盖结构载荷条件为：在内筒体与操作介质接触的内表面施加P1＝11MPa的设计压力，也即是炉门端盖内侧；夹套与操作介质接触的表面施加P2＝0.7MPa的设计压力；烧结炉炉门端盖结构的接触设置为：在炉门端盖和卡箍的相接触的位置进行设置接触对，其中卡箍的接触面设为主面，炉门端盖的接触面为从面，法向接触刚度为0.1，摩擦系数为0.2；在卡箍和筒体法兰相接触的位置进行设置接触对，其中筒体法兰的接触面为主面，卡箍的接触面为从面，法向接触刚度为0.1，摩擦系数为0.2；以及在炉门端盖和筒体法兰相接触的位置进行设置接触对，其中，筒体法兰的接触面为主面，炉门端盖的接触面为从面，法向接触刚度都为0.1，摩擦系数为0.2。
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