壓力容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)1

1、壓力容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì) 1題目：壓力容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)中低壓容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 賀李萍 20080360109 魯靈濤 20080360117王牧蘇 20080360123 指導(dǎo)教師 王寶東班級一班專業(yè)過程裝備與操縱工程學(xué)院化工與能源學(xué)院2011年 5 月*日壓力容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì) 中低壓容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘 要 : 在可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上， 探討壓力容器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì) 的一樣方法。在保證一定要求的情形下，以容器殼體金屬消耗量最低為設(shè) 計(jì)追求目標(biāo)，導(dǎo)出壓力容器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，利用內(nèi)點(diǎn)懲處函 數(shù)法和程序，能夠得到在一定長徑比范疇內(nèi)滿足預(yù)定可靠性要求的一系列 局部優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2、。文中論述了壓力容器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,簡述優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性 ,對降低產(chǎn)品成本 ,增強(qiáng)市場競爭力有著現(xiàn)實(shí)的意義。關(guān)鍵詞 : 壓力容器 殼體 優(yōu)化設(shè)計(jì)Abstract: In this paper, based on the theory of reliability optimization design ,it discusses on the basis of optimizing the design of pressure ves sel shell general method. With the lowest consumption of container for th e de

3、sign of the metal shell to pursue goals, pressure vessel reliability opti mal design derived a mathematical model, the interior penalty function me thod and VB program in a certain aspect ratio can be scheduled to meet the reliability requirements within a Series of local optimization design. T his

4、article discusses the optimal design of pressure vessel shell approach, outlining the feasibility of optimal design, to reduce the production cost, i ncrease the market competitive power has practical significance.Keywords: pressure vessel shell optimization前 言 設(shè)計(jì)是一種富有制造性的勞動 ,按照設(shè)計(jì)任務(wù)的特定要求 ,收集 有關(guān)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)

5、資料， 從而形成通常是幾個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案。標(biāo)準(zhǔn)化為設(shè) 計(jì)帶來專門多方便 ,同時(shí)也給設(shè)計(jì)者增加了某些約束 ,設(shè)計(jì)運(yùn)算經(jīng)圓整后一 樣選用與其最接近的標(biāo)準(zhǔn)尺寸 ,因此從設(shè)計(jì)的角度 ,如果在保證其它要求的 情形下 ,降低壓力容器殼體質(zhì)量便能有效地減少設(shè)備總質(zhì)量 ,從而達(dá)到節(jié)能、 降低成本和價(jià)格的目的 ,本文將這部分壓力容器殼體尺寸進(jìn)行優(yōu)化。1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的差不多原理11 設(shè)計(jì)變量多參數(shù)用優(yōu)化方法進(jìn)行修改調(diào)整。一個(gè)設(shè)計(jì)方案能夠用一組差不多參數(shù)的數(shù)值來表示。對具體優(yōu)化設(shè)計(jì) 咨詢題，并不是要求對所有的差不圖1壓力容器殼體質(zhì)量是由內(nèi)徑 Di 、筒體長度 L 和壁厚 來確定，在設(shè)計(jì)參 數(shù)一定的情形下，由 Di和

6、L可確定殼體壁厚 n ，因此選擇殼體的形狀參數(shù) Di、 L作為設(shè)計(jì)變量，如圖 1所示。1. 2 目標(biāo)函數(shù)壓力容器的目標(biāo)函數(shù)確實(shí)是殼體質(zhì)量 M1(Di,L) 。1.2.1 筒體質(zhì)量筒體為展開零件 ,長度為 L ,寬度為 Dn 的矩形材料，筒體厚度為M1(Di,L)L Dm n 10 6L (Din) n 106 7.85 L(Din) n 10 6式中1/ 鋼材比重， m3 /t；L 筒體長度，mm；Dm筒體中徑，Dm Din ， mm；Di筒體內(nèi)徑，mm；n筒體厚度，mm。1.2.2封頭質(zhì)量橢圓封頭為不可展開零件 ,按等面積法展開 ,即假設(shè)封頭中性層曲面的 面積與其展開面積相等。按文獻(xiàn) 3可得

7、到展開圖形的尺寸 ,該展開圖為圓 , 其直徑為 :D (1.38Dm 4Dmh)1/ 2式中 : Dm封頭中性層直徑 , mm,Dm Di Di 封頭內(nèi)徑， mm； h 封頭壁厚， mm；h 封頭直邊高度， mm考慮到封頭直邊高度質(zhì)量差不多計(jì)入筒節(jié)部分 ,在此封頭質(zhì)量只考慮橢 圓曲線部分 ,即h=0 時(shí)展開形狀(圓形板料)的質(zhì)量 ,該展開圖的直徑為 1.175Dm ，厚度為封頭名義厚度 2 ,故兩個(gè)封頭質(zhì)量 M 2(Di,L)表達(dá)式為：M2(Di,L) 2 nD2/4 5.4165 n(Di n) 10 6 按照這一表達(dá)式運(yùn)算所得結(jié)果加上封頭直邊部分質(zhì)量后差不多上與 JB /T 4729-94

8、旋壓封頭 中相應(yīng)封頭質(zhì)量是一致的。因此總目標(biāo)函數(shù)為筒體質(zhì)量和橢圓封頭之和：f(Di,L) M1(Di,L) M 2(Di,L)7.85 L(Di n) n 10 6 5.4165 n(Di n) 10 6 約束條件1.3.1 全容積約束 一個(gè)可行設(shè)計(jì)必須滿足某些設(shè)計(jì)限制條件，因此約束對設(shè)計(jì)空間中的 活動范疇有所限制， 即由 Di 、L 所確定的殼體全體積必須滿足用戶要求值 V ， 由文6可知，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭圓筒形容器全體積公式為：V Di3/12 LDi2 /4 相應(yīng)的約束方程式為： h1(Di，L) V Di3 /12 LDi2 /4 0 因此約束對設(shè)計(jì)點(diǎn)在設(shè)計(jì)空間中的活動范疇有所限制即可行域

9、的限 制。1.3.2 優(yōu)化范疇的最大上限值上式中令 L 0,得到 Di Di (12V / ) ,這是一個(gè)極限情形。 按照 JB/T 47 29-94旋壓封頭來看 ,橢圓封頭的最大內(nèi)徑 Di 5200mm,為了使封頭內(nèi)徑既 不超過那個(gè)范疇 ,又滿足全容積值 V ，我們令 Di Di ,且Di 5200。因此有約束方程式：g1(Di ,L) Di Di 0 g2(Di ,L) 5200 Di 01.3.3 強(qiáng)度條件 按照 GB150 規(guī)定,殼體厚度必須滿足相應(yīng)的厚度運(yùn)算公式。 設(shè)計(jì)厚度 :pDi(2 tp)C2圓整圓筒名義厚度1 C1封頭厚度 :pDiC2 (2 t 0.5p) C 圓整圓筒名義

10、厚度h 2 C1 式中 :1 圓筒設(shè)計(jì)厚度， mm；2 封頭設(shè)計(jì)厚度， mm ； t 設(shè)計(jì)溫度筒體或封頭材料的許用應(yīng)用， MPa； C1 鋼板厚度負(fù)偏差；焊逢系數(shù)；C2 腐蝕裕量， mm。 滿足上述條件約束方程為：h2(Di，L)1ptDiC2 0h3(Di，L)(2 pDi p)2 t C2 02 (2 t0.5p) 2然后加上板厚度負(fù)偏差 C1 ，通過運(yùn)算機(jī)自動向上圓整至鋼板厚度得到 筒體厚度 n 和封頭厚度 h。最小厚度條件為了滿足制造工藝要求及運(yùn)輸和安裝過程中剛度要求 , 由文1,據(jù)工程實(shí)踐體會 ,對殼體規(guī)定了不包括腐蝕裕量 C2 的最小厚度 要求。關(guān)于碳素鋼和低合金鋼筒節(jié)： 當(dāng) Di

11、 3800mm時(shí)， 筒體最小厚度 :2Di /10003mm相應(yīng)的約束方程 :g3（Di，L） n 2Di /1000 0g4（Di，L） n 3 0 當(dāng) Di 3800mm時(shí) ，按實(shí)際情形確定。封頭: 受壓標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的有效厚度 e應(yīng)力不小于封頭內(nèi)徑 Di的 0.1 5%,由此得到約束方程：g5（Di，L） h C2 C1 0.15%Di 0試驗(yàn)壓力 壓力試驗(yàn)一樣采納液壓試驗(yàn)。 由文 1得到液壓試驗(yàn)壓力 : pT 1.25p tT tpT 或 p 0.5 ，取兩者較大值。 液壓靜壓力 :pL H 0.0000098MP a液壓實(shí)驗(yàn)時(shí) ,圓筒的薄膜應(yīng)力須滿足如下條件：T （pT pL）（Di

12、e ）/2 e 90% s式中 :p壓力容器的設(shè)計(jì)壓力， MPa； 容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力， MPa； T 容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力， MPa； 圓筒有效厚度， e h C2 C1 ，mm； 試驗(yàn)溫度下材料屈服強(qiáng)度， MPa；H 液柱高度， mm ；焊縫系數(shù)。臥式容器：H Di 400 2 h 立式容器：H L Di /2 400 2 h 約束容器：g6(Di，L) 0.9 S (pT p1)(Di e)/2 e 02 優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)是采納內(nèi)點(diǎn)懲處函數(shù)法進(jìn)行運(yùn)算的， 差不多原理是 求解具有m不in等f式（ x約1，束x的2 ）優(yōu)化咨詢題。s.t g j（x

13、1，x2） 0（ j 1，2， m）式中hk的（x不1，等x式2 ）和等0（式k約束1，2函，數(shù)L通）過加權(quán)轉(zhuǎn)化后，和原目標(biāo)函數(shù)結(jié)合成 新的目標(biāo)函數(shù)懲處函數(shù)。mpf （X,rk,Mk） f （X） rk Ggu（X） Mk Hhv（X）u 0 v 1式中，r 為懲處因子，它是由大到小且趨近于 0的數(shù)列，即滿足： r0>r1>r2> ； lim rk 0 。k由于壓力容器受廠房空間位置限制，優(yōu)化出來的質(zhì)量最小殼體尺寸有 可能與上述因素矛盾， 故采納排序的方法， 通過輸入適當(dāng)?shù)膬?nèi)徑步長改變 Di 的大小，將各組 Di，L 按目標(biāo)函數(shù) M（Di，L）的大小,從小到大的順序排列起 來。4 終止語壓力容器在設(shè)計(jì)參數(shù) ,運(yùn)算范疇和優(yōu)化步長確