基于abaqus的结构可靠性优化技术

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1、基于ABAQUS的结构可靠性优化技术——基于可靠性的法兰结构优化及有限元分析摘要：在法兰设计中，常规设计方法粗糙且不完整，这无疑使设计过于保守而造成浪费。本文以可靠性来保证法兰安全，扬弃了旧的安全系数的概念，运用概率统计和机械优化设计方法，对法兰进行了结构优化设计。把作为随机变量，，，作为约束条件，法兰质量作为目标函数，通过网格法寻优，在满足可靠度的基础上优化法兰尺寸，减少法兰质量。最后通过有限元软件ABAQUS对经优化后的法兰进行模拟，结果显示法兰性能满足要求，说明可靠性优化设计可行。关键词：法兰，可靠性，优化，ABAQUS一

2、．前言化工设备的可拆连接型式很多，如:螺纹连接、承插式连接和法兰连接等，其中以装拆比较方便的法兰连接使用最普遍。但是在法兰设计中，存在许多理论分析上的问题，关于这些问题的论述往往是粗糙且不完整的，设计者就对各种复杂问题作出许多简化假设，这无疑使设计过于保守而造成浪费。将概率统计和优化原理应用于法兰设计，扬弃了旧的安全系数的概念，代之以建立在概率统计理论基础上的可靠性优化设计方法。文献[1]利用机械可靠性优化设计原理，对船舶轴系法兰联接螺栓组的直径和螺栓数日进行优化设计，在保证联接可靠度的情况下，可有效减少轴系法联接尺寸。现设计一

3、对焊带颈法兰，通过机械可靠性优化设计，对其结构进行优化，并使用有限元软件ABAQUS对该经优化后的法兰进行受力模拟，验证其可靠性。设计条件如下：设计压力：1.0Mpa（均值）；设计温度：250；法兰材料：20号钢，，，螺栓材料：AY3，，（螺栓个数为36）；连接尺寸：，，（螺栓直径尺寸）；垫片：石棉橡胶垫片，，，m=2；可靠性指标:;二．机械优化可靠性理论分析1.目标函数和设计变量法兰是和容器或管道直接相连的，其内径及颈部小端有效厚度一般等于容器或管道的内径和壁厚，故设为定值；螺栓孔直径，螺栓个数、螺栓材料在常温下的许用应力、焊

4、接颈部高度h，参照现行标准[2]确定；法兰外径可由法兰的公称压力、公称直径及螺栓规格查文献[2]得到。取法兰有效厚度、锥颈大端有效厚度和锥颈高度h作为设计变量，同时，在设计中涉及到的设计温度下的极限强度S、内压p也作为随机参数进行处理，构成随机变量组，并假设它们均服从正态分布[3]。法兰结构尺寸如图1所示。图一法兰结构尺寸把法兰的质量作为目标函数[4]：（1）2.约束条件整体法兰的3种主要应力为，，[5]，假设它们满足法兰材料的极限强度要求，并设其可靠度分别为。由应力-强度干涉模型，则有强度约束方程如下：（2）对正态分布函数，有

5、所以约束方程转化为：（3）同理：（4）（5）3.载荷分析[5]（1）内压作用于内径截面上的轴向力（2）内压作用在法兰截面上的轴向力（3）垫片压紧力预紧时；操作时（4）W的确定预紧状态下需要的最小螺栓设计载荷：操作状态下击要的最小螺栓设计载荷：预紧状态下需要的最小螺栓面积：操作状态下需要的最小螺栓面积:：所需要的螺栓面积：螺栓的设计载荷：（6）（5）力臂的计算（6）法兰弯矩的计算法兰预紧力矩：（7）法兰操作力矩：（8）法兰设计力矩：（9）（7）法兰应力的计算轴向应力：（10）径向应力：（11）环向应力：（12）式中涉及到的系数f,

6、通过文献[5]查表计算得出。（8）载荷方差的计算当时，由式（10）、（11）、（12）可得：由式（10）、（11）、（12）可得：4.计算步骤先选定垫片，根据其性能系数、尺寸及容器所承受的内压p，用(6)式计算出W；假定一代入(7)、(8)式，分别计算出，取其最大值为，把代入(10)、(11)、(12)式计算；把这三者代入(3)、(4)、(5)式，根据给定的R值，判断其是否满足条件，若满足再计算（1）式，否则重算。不断地用假定的重复计算，即网格寻优，获得其取最小值时的法兰尺寸。5.计算结果由文献[2]可查得公称压力为2.5MPa

7、、材料为20号钢的法兰在250℃下其最大工作压力为1.65MPa，可满足设计条件。（1）把可靠性优化的结果与常规设计（由文献[2]查得）的结果相比较，详见下表1结构尺寸常规设计方法可靠性优化设计方法法兰有效厚度56.068.0法兰锥颈大端有效厚度28.032.0法兰锥颈高度h/mm42.042.0法兰质量G/kg157.9193.9由表1可以看出，可靠性优化设计的法兰质量比常规设计值减少18.65%。（1）假设其它条件都相同的，比较可靠性优化设计与常规设计的可靠度系数，见下表2计算参数设计方法可靠性优化设计常规设计可靠度系数可靠

8、度R可靠度系数可靠度R18.41.020.81.085.91.090.31.04.10.95712.51.0由表2可看出常规设计的可靠度非常高，相对于可靠性优化设计比较保守。二．ABAQUS有限元模拟1.有限元模型的建立整体装配模型如图2所示。由于螺栓数为36，