本發(fā)明涉及一種基于數(shù)值迭代法的壓力容器輕量化優(yōu)化設(shè)計方法，特別設(shè)計壓力容器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，屬于壓力容器優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

壓力容器是指專門用來盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備，按承受壓力的等級分為：低壓容器、中壓容器、高壓容器和超高壓容器。壓力容器一般由筒體、封頭、法蘭、密封元件、開孔和接管、支座等六大部分構(gòu)成容器本體。此外，還配有安全裝置、表計及完成不同生產(chǎn)工藝作用的內(nèi)件。

由于壓力容器并非屬于氣、液動力機(jī)械的核心部件，企業(yè)對其缺乏足夠的重視，普遍缺乏對壓力容器進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計和精細(xì)化生產(chǎn)管理的理念。雖然國內(nèi)有人對壓力容器優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了研究，但這些研究僅局限于殼體部分的輕量化設(shè)計的理論研究，未考慮材料利用率、制造工藝要求可能對容器整體材料消耗重量的影響，同時也極少涉及接管補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)化設(shè)計，因此對指導(dǎo)設(shè)計人員開展壓力容器的整體輕量化設(shè)計不具有實際應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于數(shù)值迭代法的壓力容器輕量化優(yōu)化設(shè)計方法。

基于數(shù)值迭代法的壓力容器輕量化優(yōu)化設(shè)計方法，包括預(yù)設(shè)目標(biāo)參數(shù)、迭代法取樣、約束函數(shù)求解設(shè)計、校核函數(shù)驗證篩除、目標(biāo)函數(shù)選值優(yōu)化。

所述的預(yù)設(shè)目標(biāo)參數(shù)依據(jù)實際市場需求包括：容積v，設(shè)計壓力p，材料種類。

所述的迭代法取樣選取一組定步長內(nèi)徑di數(shù)據(jù)，且滿足dimin≥150mm，dimax≤5000mm。

基于數(shù)值迭代法的壓力容器輕量化優(yōu)化設(shè)計方法的約束函數(shù)為：

(1)封頭直邊段的圓筒長度l約束函數(shù)為：

(2)筒體計算壁厚約束函數(shù)為：

考慮腐蝕裕量，筒體名義壁厚δ1n為δ1+c1+c2向上圓整0.5的整數(shù)倍；

(3)封頭計算厚度約束函數(shù)為：

考慮腐蝕裕量，封頭名義厚度δ2n為1.12(δ2+c1+c2)向上圓整0.5的整數(shù)倍。

基于數(shù)值迭代法的壓力容器輕量化優(yōu)化設(shè)計方法的校核函數(shù)為：

(1)筒體剛度校核函數(shù)為：(δ1n-c1-c2)≥3mm；

(2)封頭剛度校核函數(shù)為：(δ2n-c1-c2)≥3mm且滿足(δ2n-c2-c1)≥0.15％di；

(3)應(yīng)力校核函數(shù)為：

所述的目標(biāo)函數(shù)為：

計算出各內(nèi)徑設(shè)計方案對應(yīng)的壓力容器質(zhì)量，并按照質(zhì)量從小到大對各組設(shè)計方案進(jìn)行排序并輸出電子表格，其中當(dāng)di≤2000時，h＝25；di＞2000時，h＝40。

所述的接管補(bǔ)強(qiáng)迭代優(yōu)化設(shè)計的步驟包括預(yù)設(shè)接管目標(biāo)函數(shù)、確定迭代參數(shù)、目標(biāo)函數(shù)迭代求解，所述的接管補(bǔ)強(qiáng)迭代優(yōu)化設(shè)計分為接管投料厚度優(yōu)化和補(bǔ)強(qiáng)圈厚度優(yōu)化兩種優(yōu)化方式。

所述的接管目標(biāo)函數(shù)為ae≥a，其中a＝dopδ1+2δ1δet(1-fr)，

(1)接管投料厚度優(yōu)化時不考慮補(bǔ)強(qiáng)圈，求解接管投料厚度δnt的最小值，ae＝a1+a2+a3；

(2)補(bǔ)強(qiáng)圈厚度優(yōu)化時已知接管投料厚度δnt，求解補(bǔ)強(qiáng)圈厚度δq，ae＝a1+a2+a3+a4；

其中，

a2＝2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-c2)fr，當(dāng)δnt≥6時a3＝18mm²；

其中，fr＞1.0時，取fr＝1.0，dop＝do-2(δnt-c2)，δet＝δnt-c2

其中b為b＝2dop與b＝dop+2δ1n+2δnt兩者中較大值，當(dāng)允許內(nèi)伸時，接管計算結(jié)果輸出的最小內(nèi)伸高度應(yīng)取與之間的較大值；當(dāng)接管不允許有內(nèi)伸高度時，h2取0。

所述的迭代參數(shù)以0.1mm為步長，在接管投料厚度優(yōu)化時迭代參數(shù)為接管投料厚度δnt，δnt初始值為δt+c2計算結(jié)果向上圓整取到小數(shù)點后一位，其中在補(bǔ)強(qiáng)圈厚度優(yōu)化時迭代參數(shù)為補(bǔ)強(qiáng)圈厚度δq，δq初始值為0。

所述的目標(biāo)函數(shù)迭代求解算出滿足目標(biāo)函數(shù)下最小的迭代參數(shù)

(1)接管投料厚度優(yōu)化：若迭代結(jié)果滿足則建議采用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)

(2)補(bǔ)強(qiáng)圈厚度優(yōu)化：接管投料厚度δnt應(yīng)滿足，

使用本發(fā)明，能根據(jù)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度的設(shè)計計算，得到壓力容器系列設(shè)計方案，方便壓力容器設(shè)計人員綜合考慮各種因素后快速篩選出最為經(jīng)濟(jì)合理且滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計方案。同時能夠進(jìn)行接管的設(shè)計和優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)，得到耗材最少的接管設(shè)計，彌補(bǔ)當(dāng)前壓力容器優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域中接管補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化方面的缺陷，保證壓力容器連接的強(qiáng)度。采用該優(yōu)化設(shè)計有效幫助企業(yè)降低材料消耗、節(jié)約制造成本、增強(qiáng)市場競爭力服務(wù)，同時保證品質(zhì)安全、滿足使用和制造工藝要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

附圖說明

圖1為壓力容器的優(yōu)化設(shè)計方法的相關(guān)尺寸的示意圖；

圖2為壓力容器的優(yōu)化設(shè)計方法的流程圖。

符號說明：容積v，設(shè)計壓力p，內(nèi)徑di，封頭直邊段的圓筒長度l，筒體計算壁厚δ1，筒體名義厚度δ1n，封頭計算厚度δ2，封頭名義厚度δ2n，設(shè)計溫度下許用應(yīng)力[σ]^t，焊接接頭系數(shù)材料厚度負(fù)偏差c1，腐蝕裕量c2，試驗溫度下許用應(yīng)力[σ]，水密度ρ水，材料室溫屈服強(qiáng)度rel，封頭直邊段高度h，壓力容器材料消耗重量m，材料密度ρ，接管公稱外徑d1，接管投料厚度δnt，接管外徑do，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度δq，筒體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積a，設(shè)計溫度下接管許用應(yīng)力，開孔直徑dop，接管有效厚度δet，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積ae，殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積a1，接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積a2，焊縫金屬截面積a3，補(bǔ)強(qiáng)圈面積a4，有效寬度b，外伸接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度h1，內(nèi)伸接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度h2，接管焊縫系數(shù)φt，設(shè)計溫度下接管與殼體許用應(yīng)力比值fr。

具體實施方式

如圖2所示，基于數(shù)值迭代法的壓力容器輕量化優(yōu)化設(shè)計方法，包括預(yù)設(shè)目標(biāo)參數(shù)、迭代法取樣、約束函數(shù)求解設(shè)計、校核函數(shù)驗證篩除、目標(biāo)函數(shù)選值優(yōu)化。

如圖1所示，預(yù)設(shè)目標(biāo)參數(shù)依據(jù)實際市場需求包括：容積v，設(shè)計壓力p，材料種類。

迭代法取樣選取一組定步長內(nèi)徑di數(shù)據(jù)，且滿足dimin≥150mm，dimax≤5000mm。

所述的迭代法取樣選取一組定步長內(nèi)徑di數(shù)據(jù)，且滿足dimin≥150mm，dimax≤5000mm。

基于數(shù)值迭代法的壓力容器輕量化優(yōu)化設(shè)計方法的約束函數(shù)為：

(1)封頭直邊段的圓筒長度l約束函數(shù)為：

(2)筒體計算壁厚約束函數(shù)為：

考慮腐蝕裕量，筒體名義壁厚δ1n為δ1+c1+c2向上圓整0.5的整數(shù)倍；

(3)封頭計算厚度約束函數(shù)為：

考慮腐蝕裕量，封頭名義厚度δ2n為1.12(δ2+c1+c2)向上圓整0.5的整數(shù)倍。

基于數(shù)值迭代法的壓力容器輕量化優(yōu)化設(shè)計方法的校核函數(shù)為：

(1)筒體剛度校核函數(shù)為：(δ1n-c1-c2)≥3mm；

(2)封頭剛度校核函數(shù)為：(δ2n-c1-c2)≥3mm且滿足(δ2n-c2-c1)≥0.15％di；

(3)應(yīng)力校核函數(shù)為：

所述的目標(biāo)函數(shù)為：

計算出各內(nèi)徑設(shè)計方案對應(yīng)的壓力容器質(zhì)量，并按照質(zhì)量從小到大對各組設(shè)計方案進(jìn)行排序并輸出電子表格，其中當(dāng)di≤2000時，h＝25；di＞2000時，h＝40。

所述的接管補(bǔ)強(qiáng)迭代優(yōu)化設(shè)計的步驟包括預(yù)設(shè)接管目標(biāo)函數(shù)、確定迭代參數(shù)、目標(biāo)函數(shù)迭代求解，所述的接管補(bǔ)強(qiáng)迭代優(yōu)化設(shè)計分為接管投料厚度優(yōu)化和補(bǔ)強(qiáng)圈厚度優(yōu)化兩種優(yōu)化方式。

所述的接管目標(biāo)函數(shù)為ae≥a，其中a＝dopδ1+2δ1δet(1-fr)，

(1)接管投料厚度優(yōu)化時不考慮補(bǔ)強(qiáng)圈，求解接管投料厚度δnt的最小值，ae＝a1+a2+a3；

(2)補(bǔ)強(qiáng)圈厚度優(yōu)化時已知接管投料厚度δnt，求解補(bǔ)強(qiáng)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，當(dāng)δnt≥6時a3＝18mm²；

其中，fr＞1.0時，取fr＝1.0，dop＝do-2(δnt-c2)，δet＝δnt-c2

其中b為b＝2dop與b＝dop+2δ1n+2δnt兩者中較大值，當(dāng)允許內(nèi)伸時，接管計算結(jié)果輸出的最小內(nèi)伸高度應(yīng)取與之間的較大值；當(dāng)接管不允許有內(nèi)伸高度時，h2取0。

所述的迭代參數(shù)以0.1mm為步長，在接管投料厚度優(yōu)化時迭代參數(shù)為接管投料厚度δnt，δnt初始值為δt+c2計算結(jié)果向上圓整取到小數(shù)點后一位，其中在補(bǔ)強(qiáng)圈厚度優(yōu)化時迭代參數(shù)為補(bǔ)強(qiáng)圈厚度δq，δq初始值為0。

所述的目標(biāo)函數(shù)迭代求解算出滿足目標(biāo)函數(shù)下最小的迭代參數(shù)

(1)接管投料厚度優(yōu)化：若迭代結(jié)果滿足則建議采用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)

(2)補(bǔ)強(qiáng)圈厚度優(yōu)化：接管投料厚度δnt應(yīng)滿足，