齿啮式快开门压力容器协同智能优化设计研究.pdf

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1、356化工机械2012年齿啮式快开门压力容器协同智能优化设计研究于继凯“周国发1欧可升2(1．南昌大学环境与化学工程学院；2，浙江大学化学工程与生物工程学系)摘要应用CAE软件Proe、Ansys和协同优化软件Isight，构建了基于lsight的协同优化设计平台，研究建立了压力客器计算机协同集成智能优化自动化设计技术和方法。提出了基于分析设计思想的应力分类设计准则，并应用这一平台基于分析设计的思想成功完成了对DNI200ram×12mm齿啮式蒸压罐法兰的优化设计。研究结果表明，在保证应力分析设计的强度条件下，通过计算杌协同集成智能优化

2、，该法兰的总质量可减轻128．74kg，材料节省幅度迭21．53％。关键词齿啮式快开门式压力容器计算机协同集成智能优化分析设计优化设计中图分类号TQ051．3文献标识码A文章编号0254-6094(2012)03-0356J05齿啮式快开门式压力容器的结构非常复杂，目前主要是通过基于有限元计算的应力分析设计方法进行设计的¨’21。面对有限元数值模拟提供的大量数据和信息，有丰富经验的设计者可能得到一个满足强度要求的可以接受的设计，但是却无法确定获得质量最小、材料最省的最优设计。齿啮式快开门式压力容器的优化目标函数是多变量、高度非线性的复杂

3、函数，而优化又属于多目标优化过程，因此齿啮式快开门式压力容器智能优化理论和技术的研究是实现其多参数多目标高度非线性过程优化的有效途径，但国内外相关研究报道却极为罕见。笔者将齿啮式快开门式压力容器数值模拟技术与智能优化控制理论相结合，研究了一种基于数值模拟的齿啮式快开门式压力容器的协同智能优化理论和方法，使设计者能智能、自动、合理地确定其结构的优化尺寸，以弥补国内外对齿啮式快开门式压力容器智能优化技术研究方面的不足。1智能优化的数学表达与计算机协同优化集成方法1．1智能优化的数学表达齿啮式快开门式压力容器的优化属有约束条件的多参数、多目标

4、高度、非线性过程优化，从数学上讲，这一优化问题可表示为：f’(#)=，I#．)，(i=1，2，⋯。JvI)g。(#)40，(，=I，2，⋯。Ⅳ2)驴。(￡)=O．(^=I，2，⋯，N3)髫b《髫《弗t其中,fCz；)是目标函数，髫是决策变量，札、茁。为决策变量的下界和上界；砂。(善)=0和gf(茹)≤O分别是等式约束和不等式约束条件，妒。(髫)和gj(舅)是约束函数。对于齿啮式快开门式压力容器的优化问题∥书；)可以为齿啮式快开门压力容器的质量、应力和变形，砂。(菇)和g(z；)可以为应力分析设计的设计应力强度、刚度等。茹为与目标函数相关

5、的独立设计变量(主要为结构尺寸)，而札、菇。确定了设计变量的可行空间。一个典型的优化过程会随着设计变量的增多而规模变大。1．2计算机协同优化集成方法基于三维造型软件Proe、有限元分析软件Ansys和多学科协同优化分析软件Isight构建齿啮式快开门式压力容器计算机协同智能优化技术平台。首先基于参数编程实现在Proe中自动创建齿啮式快开门式压力容器三维模型；然后基于APDL参数化编程实现在Ansys中自动实现齿啮式快开门式压力容器有限元应力分析，并得到保存有最大等效应力强度S。。、最大位移d⋯及模型整体质量肘等数据的文件和有限元分析命令

6、流·于继凯，男。1985年1月生。硕士研究生。江西省南昌市．330031。第39卷第3期化工机械357文件；最后将上述文件集成到Isight，Isight根据相应的优化原则及要求，经过分析便会给出一组优化尺寸数据，并将其传至Proe，Proe则根据优化数据重新参数化建模，并自动导入Ansys重新进行应力分析，整个优化设计便可以自动循环直至得出最优的设计参数。使齿啮式快开门式压力容器三维结构设计、强度分析和智能优化能自动进行，其技术路线如图l所示。读s～d。。图1齿啮式快开门式压力容器协同集智能优化过程数据流和控制流流程笔者采用多岛遗传算

7、法(Multi．IslandGenetic压力为1．30MPa、工作温度为180。C、设计温度为Algorithm，MIGA)进行优化，与传统遗传算法相比多岛遗传算法将设计种群分解为子种群"。41，也称为“岛”。每个子群体都相对独立地进行遗传进化，这样便可将由于出现不适当的个体而产生的早熟现象局限在子群体的小范围内，从而达到抑制整体群体进化早熟，防止了优化停留在局部最优点的现象。2模拟与优化分析2．1模拟优化条件齿啮式蒸压罐的工作压力为1．23MPa、设计200。C、齿啮式快开法兰材料为ZG230-450H，筒体和封头材料为Q235一B

8、。在计算温度下ZG230-450H的设计应力强度为S。，=153MPa，Q235-B的设计应力强度为S。=105MPa，弹性模量均为E=202GPa，密度均按p=7．8×10“kg／mm3，其基本尺寸如图2