基于元胞蚁群算法的卧式内压容器优化设计.pdf

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1、第37卷第1期化工机械17基于元胞蚁群算法的卧式内压容器优化设计+刘瑜¨马良(上海理工大学)摘要基于元胞蚁群算法的原理和模型。建立了以卧式内压容器壳体质量最轻为设计目标，以内径和壁厚为设计变量的优化设计的数学模型，利用元胞蚁群算法用Matlab语言编写了卧式内压容器优化设计的通用程序，并给出了一个优化设计的实例以及计算结果。关键词压力容器元胞蚁群算法优化设计中图分类号TQ051．3文献标识码A文章编号0254-6094(2010)0l-0017-05传统的压力容器设计往往需要先拟定一个设计方案，然后对每个方案进行结构分析，计算出各种载荷作用下的结构响应，判断其是否满足规

2、范和预先规定的要求，如果不满足要求则需调整形状或尺寸，重新进行计算校核，直到满足要求为止；有时则需先拟定多个方案，对每个方案进行结构分析和计算，并作比较，选择最满意的方案。由此可知，传统的设计方法是个试凑的过程，十分繁琐。优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科，它将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。几十年来，最优化方法陆续应用到化工设备设计领域，并取得了显著效果。压力容器优化设计是在给定基本结构形式、材料和载荷的情况下，确定结构的形状和尺寸，使某项或几项设计指标取得最优值，其实质是在满足一定约束条件下，选取适当的设计变

3、量，使目标函数的值最／J、。近年来，一种新型智能优化算法——元胞蚁群算法迅速发展并得到广泛应用，它是基于蚁群算法和元胞自动机的原理提出的一种新型算法。笔者针对圆筒形卧式压力容器优化设计进行了研究，对于此类压力容器所进行的优化设计就是在满足各项设计指标的前提下，对结构参数进行优化，选择最佳设计方案(容器的重量最轻、耗材最少)，从而获得最佳的经济效益。为此，笔者建立了相应的优化设计的数学模型，并运用相应的元胞蚁群算法进行了优化设计，使得在解决复杂的压力容器设计问题时，能从众多的设计方案中找得尽可能完美的或最适宜的设计方案。1压力容器优化设计模型1．1确定设计变量压力容器壳体

4、质量是由内径Di、简体长度￡以及壁厚艿确定的。对于给定设计容积的容器，筒体的长度可以表示成简体内径的函数，因此选取筒体的内径、筒体的壁厚以及封头的壁厚作为设计变量。另外，在一定的设计条件下，标准椭圆封头的壁厚与相连接圆筒的壁厚大致相等，为制造方便取相同的值，故而设计变量X=[茁，，茗：]=[D；，艿]。1．2建立目标函数在满足各项设计指标的前提下，寻找壳体质量最小的相应壳体尺寸作为优化目标，从而选择壳体质量为目标函数。具有圆柱形筒体和标准椭圆形封头的压力容器(图1)，其壳体的质量肘等于圆筒部分(包括封头直边)的质量肘。与两个封头质量肘：之和：·国家自然科学基金资助项目(

5、70871081)和上海市重点学科建设项目资助(S30504)。··刘瑜，女，1984年8月生，硕士研究生。上海市，200093。18化工机械2010年M1=p订(Di+艿)∞M：=烈(D；+2B)2(D；+48)一D；]M=M．+M：=p1T(D；+艿)幻+参1r[(D；+28)2(Di+48)一D；]图1压力容器简图由全容积表达式y=÷订D；￡+去订D；，可得出工=差一了Ol，故可以确定目标函数为：八茗)=M。p订(髫-+菇z)厶z+_p11T[(菇-+2x2)2×(菇l+4x2)一髫；]工=芸寺1．3确定约束条件1．3．1强度条件按GBl50—1998规定，圆筒壳

6、和标准椭圆封头必须满足的厚度公式分别为：6-cl-c2≥盎¨。_c2≥丽譬厩1．3．2最小厚度条件对于碳素钢和低合金筒节，为满足制造、安装以及运输过程中的要求，GBl50-1998规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度⋯：当Di≤3800ram时，8>一2Di／1000，且艿≥3ram；当D；≥3800mm时，按实际情况确定。1．3．3封头稳定性条件椭圆封头在内压作用下，在赤道处产生环向压应力，为防止出现失稳，规定封头的有效厚度6。应不小于封头内径D；的0．15％，即：艿一C．一C2—0．0015DiI>0。1．3．4水压试验应力强度条件容器制成投入使用前应经过压力试验，为使液

7、压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必须按下式校核圆筒的薄膜应力：掣禁掣≤0．94,盯．2(6一C。一C，)、。。‘PT=1．25p。等．L盯J由前面的分析可以得出，压力容器优化设计的约束条件为：gI(并)=丁当：}一一石2+c。+C2≤o—IL并)=i下——了■=_——一一石2+Cl+2≤二L盯j9一P。92(菇)=石_簧‰+cl+C--X22≤o2(菇)2三i：_ri_而+cl+2≤u93(戈)=2xl／1000一菇2≤094(菇)=3一并2≤095(石)=0．0015xl一茗2+Cl+C2≤096(一x)=嗡等-o．91ko'