U型波纹管的优化设计系统

经过一段时间的考证及通过圆整法 % 用复合形法优化 $ONP. 遗 传算法 . 网格法的应用计算比较 ! 最终选取易于实现 . 操作稳定 . 原理简单的网格法作为本文的优化方法 ! 此方法可解得问题优
２． ３ 设计方法
本设计系统的目标函数为 / %4 $R A 式中 +ACD %+
%6!+$
B
%! $ %" $
参 数 输 入
数 据 处 理
设 计 模 块
类 型 选 择
输 出 模 块
轴 向 位 移
横 向 位 移
角 向 位 移
保 存
打 开
编 辑
打印优化设计或常规校核设计说明书 图 １ 波纹管综合优化设计框图
表 １ 优化设计所得波纹管的结构参数及性能参数
优化得波纹管各项参数 层数 !""# 波数 !""$ 波高 %""$ 波距 !""$ 单层壁厚 !""$ 波纹管伸长量 & 重量 %""&’(# 单波伸长量 %""# 波纹管轴向补偿量 %""# 疲劳寿命 波纹管展开长度 ! """ 波纹管重量 ! ’(" 单波刚度 %)&""# 柱失稳内压力 ! *+," 平面失稳内压力 ! *+," 内压在波纹管中所产生的周向薄膜应力 -. ! *+," 位移在波纹管中所产生的子午向弯曲应力 -/ ! *+," 无加强型 有加强型Fra bibliotek３． ２ 系统界面
优化设计系统的主界面如图 . 所示 & 优化设计界面如图 3 所示 &
1 2 31 41 1 15673 869. 3/612 152565. 478652 3634 .637 5682 /5644 15/9635 1.11682
. 3 27 41 1 156.8 .3653 /8641 15.3615 4876.3 /628 .694 1.619 1/59691 18/9683
中图分类号 +CE%! 文献标识码 +L
! 引言
波纹管膨 胀 节 是 受 热 管 道 和 设 备 进 行 热 补 偿 的 关 键 部 件 * 波纹管的工程设计多为试算过程 ! 设计参数之间常相互矛盾并 相互制约 ! 设计过程繁琐 ! 常规设计往往不能全面地设计出既满 足使用需求 ! 又能达 到 最 经 济 要 求 的 波 纹 管 膨 胀 节 ) 同 时 ! 随 着 波纹管的生产及设计标准的不断变化 O!P! 原有的设计方法已不能 满足需要 * 针对波纹管在设计过程的繁琐性 . 设计参数的制约和 矛盾性 O"P及结构形式的 多 样 性 ! 结 合 生 产 及 使 用 最 经 济 的 原 则 ! 开发新的优化设计系统 ! 设计出既满足工艺要求又安全经济的 波纹管 ! 无疑会给生产及设计单位 . 使用单位带来极大的经济利 益和安全效益 * 本文在这种生产及设计的需求下 ! 针 对 ) 型 波 纹管开发了综合优化设计系统 *
第N期
机械设计与制造
%""M 年 N 月
文章编号 +!""!#%$$M$%""M&#N#""&N#""
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Ｕ 型波纹管的优化设计系统
于 颖 １!２ "
!
李永生
１
於孝春 １
陈立苏 ３
南京工业大学 ! 南京 "!###$# " " 中国药科大学 ! 南京 "!###$$ % % 南京晨光东螺波纹管有限公司 ! 南京 "!###& ’
" 系统优化方案的确定
２． １ 设计方案
在波纹管的设计过程中 ! 除了要考虑强度与柔性之间的相 互制约关系外 ! 还应该注重生产及设计过程中的经济性 * 故在优 化设计过程中 ! 结合生产成本及工艺的需求 ! 合理确定目标函数 及约束条件至关重要 *
２． ２ 优化方法
本优化设计系统是以单位重量下波纹管的补偿量为优化目 标函数 ! 是一个单目标多约束的优化设计 * 设计变量确定为波纹 管的单层壁厚 . 波纹管的层数 . 波数及波高 * Q 个自变量为离散
系统说明
结构优化设计
常规校核设计
关材料性能参数的查取及计算 $ 如材料在设计温度下的弹性模 量 ) 许用应力 ) 屈服极限等 & 用户亦可按已有格式添加材料及性 能参数 $ 保存后 $ 系统可直接调用 $ 使用方便 ) 运行可靠 & !. " 本软件 的 设 计 参 数 输 入 方 式 为 在 选 框 中 点 选 ! 如 直 径 ) 压力 ) 波距 ) 展开成 定 长 等 "$ 用 户 亦 可 自 行 按 要 求 键 入 $ 皆 可 实 现在线计算 & !3 " 本软件的加强型以整体加强方式进行优化设计计算 & 可 实现加强环材料按温度查取和计算相关材料的性能参数 & !4 " 软 件 的 设 计 计 算 书 可 实 现 即 时 编 辑 功 能 $ 并 可 实 现 另 存 ) 打印 $ 及文件打开功能 $ 方便技术文件管理 & !2 " 设计过程中修正系数 "#)"$)%& 皆可实现在线计算查取 $ 从而保证设计系统的顺利进行 &
线对叶片特征截面型线进行处理 $ 并指出了造型过程中的难点和关键点问题 $ 在大扭曲度长叶片的实体 造型过程中如何选用引导线和中心线使各特征截面经放样后成为光滑曲面 % 以某 １０２９ｍ ｍ 叶片造型为 例 $验证了该方法的可行性 % 关键词 "汽轮机 )叶片 )实体造型 )Ｓ ｏｌ ｉ ｄＷ ｏｒｋｓ )非均匀有理 Ｂ 样条 )放样 , !"#$%&’$- "#$ %$&#’( ’) *’+,( %’($+,-. )’/ *&$0% &1/2,-$ &3,*& 2+0($ ,* *&1(,$( 24 1*,-. "/Z-<P/)\=5
..7/61/ 1121697
图 ２ 波纹管综合优化系统主界面
复合应力 -0 ! *+,"
第5期
机械设计与制造
+((K 年 5 月
文章编号 "’((’)#MMK*+((K,&5)((%K)(#
%-./01234 526071 8
%-19:-.;932
) %K 6
基于 SolidWorks 的汽轮机扭曲叶片造型研究
黄文俊 李录平 郭克希* 长沙理工大学 $长沙 !$&&K%+
!"#"$%&’ () *’%"" +,-")#,()$. #(.,+ -(+".,)/ 0(% #*"1- *2%3,)" *4,#* 3.1+" 31#"+ () *’" 5(.,+6(%7#
OC3;G P@;6QC;$R- RC6B-;G$SC/ T@6A!!!!!!!!!!!!!!!!" ’(?3;G=?3 U;-V@)=-:W /> "D-@;D@ X Y@D?;/Z/GW$(?3;G=?3 !$&&K%$(?-;3[ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" , 摘 要- 探讨了用 Ｓｏｌ ｉ ｄＷ ｏｒｋｓ 软件对汽轮机扭曲叶片实体造型的方法 $ 采用非均匀有理 Ｂ 样条曲 !!!!!!!!!!!!!!!!"
３． １ 系统流程
本设计优化系统分为两大模块 $ 分别为优化设计模块与常 规设计模块 & 其流程框图如图 1 所示 &
波纹管的综合优化设计系统 图 ３ 波纹管优化设计界面
３． ３ 设计说明及过程处理
本设计系统具有完善的数据处理功能 $ 具体表现在 * !1 " 本软件建有 ;-*<=.552 版材料性能数据库 & 可实现相
&, ,+% 7$ %# ’58+ %9+ +4$5",&#" 1+22#3:, ,%076%70+ %9+ ’#,% 0+5,#"512+ 5"* ’5"7/56%70&"-:, 6#,% ’#,% +6#"#’! &6 &" ,5%&,/.&"- %9+ ,71;+6%&#" %# ,%0+"-%9< +2),%&6 ,$0&"- 0)%+< )"* ’)"7/)6%70&"- %+69"#2#-.= >9+ ?&,% ’+%9#* &, 5$$2&+* %# /&"* %9+ -2#152 ,#27%&#" #/ @7+,%&#",< 39&69 52,# 65" +",70+ %9+ ,.,%+’ #$+05%&#" +5,&2. 5"* ,%512.= ()* +,%-#./)00,+ )12&3#4,3)52$4647&$4,3)84#$ 6)$9,-):)#4;3 #*#$)6
1#I!N@!SE"$
// 波纹管的总补偿量 !FF ) F/
G // 波纹管的重量 !T,*
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O&P
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++.+6 // 波纹管在拉 . 压时的单波伸长量 !FF )
// 波纹管的轴向 .横向 .角向的单波伸长量 !FF ) +4.+..+" / // 设计压力相对于极限压力的比值 ) !/
＊ 来稿日期 +２００６－０９－２９
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规划方法 )%Q$ 以遗传算法为代表的现代优化方法 * 化设计的全局最优解 ! 即理论解 *
变量 * 故波纹管的优化设计是属于有约束的非线性离散变量的 优化问题 * 其优化目标是在满足约束条件下 ! 保证波纹管的补偿 量与重量之比为最 大 ! 并 能 充 分 利 用 材 料 ! 降 低 成 本 ! 增 强 经 济 效益 * 目前 ! 离散变量的优化设计方法大致有如下几种方法 O%-QP+ %! $ 精确算法 ! 如 网 格 法 )%" $ 圆 整 法 ! 以 连 续 变 量 进 行 优 化 设 计 后 ! 对结果进 行 圆 整 )%% $ 以 离 散 复 合 型 法 为 代 表 的 改 进 的 数 学
! // !
## 波纹管的波距 $"" % !# ## 柱失稳缩减参数 & "! #
于 颖等 *Ｕ 型波纹管的优化设计系统
第2期
本优化设计系统的设计依据为疲劳失效准则 $ 薄膜应力为 非主要控制因素 &
3 系统功能及操作
本波纹管优化设计软件系依据 ’ 美国膨胀节制造商协会标 准 ( 第八版及 .552 年的补充更正版进行计算 & 针对 : 型波纹管 的有加强和无加强形 式 $ 分 别 按 照 轴 向 补 偿 ) 横 向 补 偿 ) 角 向 补 偿型式 $ 结合生产过程中的工艺成型特点及参数要求 $ 在满足加 工下料最经济原则的情况下 $ 实现 : 型波纹管的结 构 参 数 优 化 计算 & 本软件具有波纹管参数的优化设计功能和常规校核设计功 能 $ 可实时打印 ) 编辑设计说明书 $ 以更方便地服务用户 &
!!!!!!!!!!!!!!"
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" & 摘 要’ 对 Ｕ 型波纹管的有加强和无加强型式 ! 在满足强度 ( 柔性 ( 工艺要求和最经济的原则下 ! 选 !!!!!!!!!!!!!!"
用网格法对其进行波纹管结构参数的优化设计及常规设计 ! 所得优化结果为问题的全局最优解 ) 且整个 设计系统操作简单 (运行稳定 * 关键词 + 波纹管 ) 优化 ) 网格法 )设计系统 , !"#$%&’$- !" #$%&’&()%&#" *+,&-" ,.,%+’ /#0 )1236K4 1+22#3 +4$5",&#" #/ 0+&"/#06+* 5"* 7"0+&"/#06+*
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