壓力容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、鄭州大學(xué)論文題目：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(jí)一班專 業(yè)過(guò)程裝備與控制工程學(xué) 院化工與能源學(xué)院2011年*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)的一般方法。在保證一定要求的情況下，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)懲罰函數(shù)法和程序，可以得到在一定長(zhǎng)徑比范圍內(nèi)滿足預(yù)定可靠性要求的一系列局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方案。文中論述了壓力容器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,簡(jiǎn)

2、述優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性,對(duì)降低產(chǎn)品成本,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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 vessel shell general method. With the lowest consumption of container for the design of the metal shell to

3、 pursue goals, pressure vessel reliability optimal design derived a mathematical model, the interior penalty function method and VB program in a certain aspect ratio can be scheduled to meet the reliability requirements within a Series of local optimization design. This article discusses the optimal

4、 design of pressure vessel shell approach, outlining the feasibility of optimal design, to reduce the production cost, increase the market competitive power has practical significance.Keywords: pressure vessel shell optimization 前 言 設(shè)計(jì)是一種富有創(chuàng)造性的勞動(dòng),根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的特定要求,收集相關(guān)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)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(lái)很多方

5、便,同時(shí)也給設(shè)計(jì)者增加了某些約束,設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)圓整后一般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況下,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)的基本原理11 設(shè)計(jì)變量一個(gè)設(shè)計(jì)方案可以用一組基本參數(shù)的數(shù)值來(lái)表示。對(duì)具體優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，并不是要求對(duì)所有的基本參數(shù)都用優(yōu)化方法進(jìn)行修改調(diào)整。圖1壓力容器殼體質(zhì)量是由內(nèi)徑、筒體長(zhǎng)度和壁厚來(lái)確定，在設(shè)計(jì)參數(shù)一定的情況下，由和可確定殼體壁厚，因此選擇殼體的形狀參數(shù)、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)就是殼體質(zhì)量 。筒體

6、為展開(kāi)零件,長(zhǎng)度為L(zhǎng) ,寬度為的矩形材料，筒體厚度為。式中 鋼材比重，； 筒體長(zhǎng)度，mm；筒體中徑， ，mm；筒體內(nèi)徑，mm；筒體厚度，mm。橢圓封頭為不可展開(kāi)零件,按等面積法展開(kāi),即假設(shè)封頭中性層曲面的面積與其展開(kāi)面積相等。按文獻(xiàn)3可得到展開(kāi)圖形的尺寸,該展開(kāi)圖為圓,其直徑為:式中: 封頭中性層直徑, mm,封頭內(nèi)徑，mm；封頭壁厚，mm；封頭直邊高度，mm。考慮到封頭直邊高度質(zhì)量已經(jīng)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=0時(shí)展開(kāi)形狀（圓形板料）的質(zhì)量,該展開(kāi)圖的直徑為，厚度為封頭名義厚度,故兩個(gè)封頭質(zhì)量表達(dá)式為：按照這一表達(dá)式計(jì)算所得結(jié)果加上封頭直邊部分質(zhì)量后基本上與JB/T

7、4729-94旋壓封頭 中相應(yīng)封頭質(zhì)量是一致的。所以總目標(biāo)函數(shù)為筒體質(zhì)量和橢圓封頭之和：13 約束條件一個(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(duì)設(shè)計(jì)空間中的活動(dòng)范圍有所限制，即由、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：相應(yīng)的約束方程式為：因此約束對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)在設(shè)計(jì)空間中的活動(dòng)范圍有所限制即可行域的限制。上式中令,得到,這是一個(gè)極限情況。根據(jù)JB/T 4729-94旋壓封頭來(lái)看,橢圓封頭的最大內(nèi)徑,為了使封頭內(nèi)徑既不超過(guò)這個(gè)范圍,又滿足全容積值，我們令于是有約束方程式：根據(jù) GB150規(guī)定,殼體厚度必須滿足相應(yīng)的厚度計(jì)算公式。設(shè)計(jì)厚度:圓整圓

8、筒名義厚度: 封頭厚度: 圓整圓筒名義厚度: 式中: 圓筒設(shè)計(jì)厚度，mm；封頭設(shè)計(jì)厚度，mm；設(shè)計(jì)溫度筒體或封頭材料的許用應(yīng)用，MPa；鋼板厚度負(fù)偏差；焊逢系數(shù)；腐蝕裕量，mm。滿足上述條件約束方程為：然后加上板厚度負(fù)偏差，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)向上圓整至鋼板厚度得到筒體厚度和封頭厚度。為了滿足制造工藝要求及運(yùn)輸和安裝過(guò)程中剛度要求 ,由文1,據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)殼體規(guī)定了不包括腐蝕裕量的最小厚度要求。對(duì)于碳素鋼和低合金鋼筒節(jié)：當(dāng)筒體最小厚度: 且相應(yīng)的約束方程: 當(dāng)，按實(shí)際情況確定。封頭: 受壓標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的有效厚度應(yīng)力不小于封頭內(nèi)徑的0.15%,由此得到約束方程：壓力試驗(yàn)一般采用液壓試驗(yàn)。由文1得到

9、液壓試驗(yàn)壓力: 或，取兩者較大值。液壓靜壓力:液壓實(shí)驗(yàn)時(shí),圓筒的薄膜應(yīng)力須滿足如下條件：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；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，mm；試驗(yàn)溫度下材料屈服強(qiáng)度，MPa；液柱高度，mm；焊縫系數(shù)。臥式容器：立式容器：約束容器：2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)是采用內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算的， 基本原理是求解具有不等式約束的優(yōu)化問(wèn)題。式中的不等式和等式約束函數(shù)經(jīng)過(guò)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)懲罰函數(shù)。式中，r為懲罰因子，它是由大到小且趨近于0的數(shù)列，即滿足：； 。由于壓力容器受廠房空間位置限制，優(yōu)化出來(lái)的質(zhì)量最小殼體尺寸有可能與上述因素矛盾，故采用排序的方法，通過(guò)輸入適當(dāng)?shù)膬?nèi)徑步長(zhǎng)改變的大小，將各組按目標(biāo)函數(shù)的大小,從小到大的順序排列起來(lái)。4 結(jié)束語(yǔ)壓力容器在設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算范圍和優(yōu)化步長(zhǎng)確定的情況下,任何一臺(tái)壓力容器都存在著一個(gè)使殼體質(zhì)量最小的最佳設(shè)計(jì)方案,因此采用優(yōu)化設(shè)計(jì)