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)化設計方法，特別設計壓力容器結構參數(shù)設計，屬于壓力容器優(yōu)化設計領域。

背景技術：

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)工藝作用的內件。

由于壓力容器并非屬于氣、液動力機械的核心部件，企業(yè)對其缺乏足夠的重視，普遍缺乏對壓力容器進行輕量化優(yōu)化設計和精細化生產(chǎn)管理的理念。雖然國內有人對壓力容器優(yōu)化設計進行了研究，但這些研究僅局限于殼體部分的輕量化設計的理論研究，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強的優(yōu)化設計，因此對指導設計人員開展壓力容器的整體輕量化設計不具有實際應用價值。

技術實現(xiàn)要素：

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

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

所述的預設目標參數(shù)依據(jù)實際市場需求包括：容積v，設計壓力p，材料種類。

所述的迭代法取樣選取一組定步長內徑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)應力校核函數(shù)為：

所述的目標函數(shù)為：

計算出各內徑設計方案對應的壓力容器質量，并按照質量從小到大對各組設計方案進行排序并輸出電子表格，其中當di≤2000時，h＝25；di＞2000時，h＝40。

所述的接管補強迭代優(yōu)化設計的步驟包括預設接管目標函數(shù)、確定迭代參數(shù)、目標函數(shù)迭代求解，所述的接管補強迭代優(yōu)化設計分為接管投料厚度優(yōu)化和補強圈厚度優(yōu)化兩種優(yōu)化方式。

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

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

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

其中，

a2＝2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-c2)fr，當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，當允許內伸時，接管計算結果輸出的最小內伸高度應取與之間的較大值；當接管不允許有內伸高度時，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計算結果向上圓整取到小數(shù)點后一位，其中在補強圈厚度優(yōu)化時迭代參數(shù)為補強圈厚度δq，δq初始值為0。

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

(1)接管投料厚度優(yōu)化：若迭代結果滿足則建議采用補強圈進行補強

(2)補強圈厚度優(yōu)化：接管投料厚度δnt應滿足，

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

附圖說明

圖1為壓力容器的優(yōu)化設計方法的相關尺寸的示意圖；

圖2為壓力容器的優(yōu)化設計方法的流程圖。

符號說明：容積v，設計壓力p，內徑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，設計溫度下許用應力[σ]^t，焊接接頭系數(shù)材料厚度負偏差c1，腐蝕裕量c2，試驗溫度下許用應力[σ]，水密度ρ水，材料室溫屈服強度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，補強圈厚度δq，筒體開孔所需補強面積a，設計溫度下接管許用應力，開孔直徑dop，接管有效厚度δet，可作為補強的截面積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，補強圈面積a4，有效寬度b，外伸接管有效補強高度h1，內伸接管有效補強高度h2，接管焊縫系數(shù)φt，設計溫度下接管與殼體許用應力比值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)化設計方法，包括預設目標參數(shù)、迭代法取樣、約束函數(shù)求解設計、校核函數(shù)驗證篩除、目標函數(shù)選值優(yōu)化。

如圖1所示，預設目標參數(shù)依據(jù)實際市場需求包括：容積v，設計壓力p，材料種類。

迭代法取樣選取一組定步長內徑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)應力校核函數(shù)為：

所述的目標函數(shù)為：

計算出各內徑設計方案對應的壓力容器質量，并按照質量從小到大對各組設計方案進行排序并輸出電子表格，其中當di≤2000時，h＝25；di＞2000時，h＝40。

所述的接管補強迭代優(yōu)化設計的步驟包括預設接管目標函數(shù)、確定迭代參數(shù)、目標函數(shù)迭代求解，所述的接管補強迭代優(yōu)化設計分為接管投料厚度優(yōu)化和補強圈厚度優(yōu)化兩種優(yōu)化方式。

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

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

(2)補強圈厚度優(yōu)化時已知接管投料厚度δnt，求解補強圈厚度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，當允許內伸時，接管計算結果輸出的最小內伸高度應取與之間的較大值；當接管不允許有內伸高度時，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計算結果向上圓整取到小數(shù)點后一位，其中在補強圈厚度優(yōu)化時迭代參數(shù)為補強圈厚度δq，δq初始值為0。

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

(1)接管投料厚度優(yōu)化：若迭代結果滿足則建議采用補強圈進行補強

(2)補強圈厚度優(yōu)化：接管投料厚度δnt應滿足，