[发明专利]一种抛物线-圆弧形封头结构优化设计方法

说明书

本发明提供了一种抛物线‑圆弧形封头结构优化设计方法，包括以下步骤：步骤一，设定抛物线‑圆弧形封头的特征参数以及初始设计参数；步骤二，根据特征参数以及初始设计参数建立二维几何模型；步骤三，将二维几何模型的应力最小时对应的函数确定为目标函数；步骤四，设定初始设计参数的变量范围；步骤五，使用有限元分析软件，设置约束以及载荷对初始设计参数进行优化分析得到初始设计参数对应的应力强度值；步骤六，将应力强度值代入目标函数，判断目标函数是否收敛且满足约束条件，若不满足则修改初始设计参数并返回步骤五；步骤七，当目标函数收敛且满足约束条件时，得到最优设计参数。

技术领域

本发明涉及一种优化设计方法，具体涉及一种抛物线-圆弧形封头结构优化设计方法。

背景技术

封头是压力容器的重要组成部分，国家标准GB150《压力容器》中的封头有椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和半球形封头。其中椭圆形封头推荐采用长短轴比值为2的标准型椭圆形封头，其综合性能较好，应用最广泛；球形封头大多用于压力较高的压力容器，它的应力分布好，但制造难度较大；碟形封头由中间球面和半径为一定值的转角组成，其受力状态不如椭圆形封头好，使用受到限制；球冠形封头受力状态远不如半球形封头，但由于其深度浅，成型容易，某些场合也有应用。

为解决上述问题，提出了抛物线-圆弧形封头的结构，但是抛物线-圆弧型封头的抛物线以及圆弧稍加改变，封头的形状就会改变，轻微的形状变化有时候对于承压性能影响巨大。现有的设计方法一般是根据经典力学理论，结合设计者的经验对抛物线-圆弧型封头的结构进行改进设计，显然这样的设计方法无法得到真正最优的结构。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种抛物线-圆弧形封头结构优化设计方法。

本发明提供了一种抛物线-圆弧形封头结构优化设计方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，设定抛物线-圆弧形封头的特征参数以及初始设计参数，特征参数为筒体的几何尺寸，初始设计参数为抛物线-圆弧形封头的曲率中心的坐标值以及曲率半径；步骤二，根据特征参数以及初始设计参数建立二维几何模型；步骤三，将二维几何模型的应力最小时对应的函数确定为目标函数；步骤四，设定初始设计参数的变量范围；步骤五，使用有限元分析软件，设置约束以及载荷对初始设计参数进行优化分析得到初始设计参数对应的应力强度值；步骤六，将应力强度值代入目标函数，判断目标函数是否收敛且满足约束条件，若不满足则修改初始设计参数并返回步骤五；步骤七，当目标函数收敛且满足约束条件时，得到最优设计参数，该最优设计参数为曲率中心C的坐标(α、β)以及曲率半径R；步骤八，根据曲率中心C的坐标(α、β)以及曲率半径R构建抛物线-圆弧形封头的中间面。

在本发明提供的抛物线-圆弧形封头结构优化设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，中间面的形成步骤如下：在平面直角坐标中，作曲线y＝f(x)＝Axⁿ(A＞0,x≥0,2＜n≤3)，曲线上一点M(1，A)的曲率中心C的坐标为(α，β)，曲率半径为R，β＝A²(2n²-n)+1，当n＞2、A＞0时，令α＜0，则C点在y轴左侧，以C点为圆心，以R为半径，过M点作圆弧交直线y＝β于点O``，直线y＝β和y轴交于点O`，令O`O``＝h、O`O＝r＝β，以y＝β为旋转轴，由抛物线段OM和圆弧线段MO``构成的曲线，绕y＝β轴旋转得封头的中间面OMO``。

在本发明提供的抛物线-圆弧形封头结构优化设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤五中，优化分析的数学优化模型为：

式中，f是数值计算得到的抛物线-圆弧型封头的应力值，α、β、R是抛物线-圆弧型封头的曲率中心C的横坐标值、纵坐标值以及曲率半径，P是封头承受的内压，σ_max为抛物线-圆弧型封头的最大应力值。

在本发明提供的抛物线-圆弧形封头结构优化设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，优化分析的初始条件为抛物线-圆弧形封头的约束以及内压。