一種三通的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種三通的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)有限元計(jì)算獲得的應(yīng)力結(jié)果，按比例對(duì)三通結(jié)構(gòu)的邊界形狀作出修正，最終獲得一個(gè)具有合理外形的，低應(yīng)力集中系數(shù)的三通。本發(fā)明專利技術(shù)與具體的結(jié)構(gòu)修正量有關(guān)。結(jié)構(gòu)的修正量越大，應(yīng)力降低得越多，但是修正后得結(jié)構(gòu)形狀與原有設(shè)計(jì)相差越多。所以要根據(jù)具體情況選擇合適的修正量，使得應(yīng)力和幾何形狀都滿足設(shè)計(jì)要求。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)屬于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別涉及。根據(jù)現(xiàn)有的三通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的三通，在主管和支管內(nèi)相慣線的拐角處會(huì)形成比較高的應(yīng)力集中，參見(jiàn)《壓力容器的應(yīng)力分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)》140頁(yè)-141頁(yè)，致使三通成為管道中比較易于損壞的構(gòu)件。從經(jīng)濟(jì)上說(shuō)，三通結(jié)構(gòu)本身的成本并不很高，但因更換或修補(bǔ)導(dǎo)致的非正常停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失常常是巨大的，參見(jiàn)《關(guān)于主蒸汽管道上減溫三通裂縫的探討》。降低三通結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度，對(duì)于提高三通結(jié)構(gòu)的壽命，降低管道系統(tǒng)的故障率有十分重要的意義。對(duì)于電站鍋爐設(shè)備中使用的三通，工作在高溫高壓環(huán)境中，一旦發(fā)生破壞，則往往導(dǎo)致嚴(yán)重事故。國(guó)內(nèi)目前使用的三通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)，如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12459-90，原電力部標(biāo)準(zhǔn)GD87-1101，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI B16.9(1986)，此外還有德國(guó)(DIN)標(biāo)準(zhǔn)和日本(JIS)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的差異主要是結(jié)構(gòu)尺寸上的差異，幾何形狀則基本相同。當(dāng)前使用的降低三通聯(lián)接處應(yīng)力的方法是對(duì)主管和支管聯(lián)接處加強(qiáng)—補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)的方式參見(jiàn)《壓力容器的應(yīng)力分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)》146頁(yè)，《壓力容器的應(yīng)力分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)》154頁(yè)，《鋼制壓力容器設(shè)計(jì)制造和檢驗(yàn)》249頁(yè)。由前述的現(xiàn)有技術(shù)檢索中可以看出，現(xiàn)有的三通結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，增補(bǔ)部分的幾何形狀是比較簡(jiǎn)單的。一方面，這與早期的手工設(shè)計(jì)工具是相適應(yīng)，另一方面，這樣的補(bǔ)強(qiáng)形狀并不是完全根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要設(shè)計(jì)的，有些需要更多加強(qiáng)的地方?jīng)]有充分加強(qiáng)，有些不需要加強(qiáng)的地方反而得到過(guò)多的加強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)效果是有限的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜形面的造型技術(shù)已經(jīng)比較成熟，完全可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)出更為復(fù)雜、更為符合強(qiáng)度要求的三通外形。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的總體思路是根據(jù)有限元計(jì)算獲得的應(yīng)力結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)的邊界形狀作出修正。按以下步驟進(jìn)行1)建立分析模型分析模型中為了考慮接管的影響，將模型主管和支管加長(zhǎng)，與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)靜力分析的數(shù)學(xué)表達(dá)式為KX＝F (1)K表示結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，X為結(jié)點(diǎn)位移向量，F(xiàn)為載荷向量2)以結(jié)點(diǎn)位移X為未知量，解上述線性方程組以后，可以得到分析模型中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的位移向量X；3)然后由幾何方程ε＝ε(X)(2)可以求得應(yīng)變向量ε；4)再由虎克定律σ＝Dε (3)式中，D是彈性矩陣，得到應(yīng)力向量σ；5)期望的應(yīng)力范圍確定以后，再確定一個(gè)應(yīng)力和變形修正量之間的關(guān)系；由于是對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，所以修正量δ的取值是小量；對(duì)于線彈性的有限元模型，可以認(rèn)為應(yīng)力和變形修正量之間保持線性關(guān)系δ＝cσ (4)δ是結(jié)點(diǎn)變形的修正向量，c是系數(shù)矩陣，反映應(yīng)力σ和變形修正量之間的比例關(guān)系；為了簡(jiǎn)便，將系數(shù)矩陣寫(xiě)成等值對(duì)角陣，這種情況下，系數(shù)矩陣進(jìn)而可以寫(xiě)成標(biāo)量；6)確定δ的取值，進(jìn)行迭代計(jì)算；迭代計(jì)算的初值根據(jù)三通的原始結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果給定。將最高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值和位移的十分之一代入前面的變形和應(yīng)力的關(guān)系式，可以得到初始的系數(shù)值c；然后根據(jù)結(jié)構(gòu)表面各結(jié)點(diǎn)上不同的應(yīng)力值確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修正量；結(jié)構(gòu)表面結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)修正公式為xij＝xij+δij(5)i＝1，2，3，表示三個(gè)直角坐標(biāo)方向，j表示結(jié)點(diǎn)號(hào)；xij表示結(jié)點(diǎn)j沿坐標(biāo)軸i方向被修正后的新坐標(biāo)值，xij是結(jié)點(diǎn)j沿坐標(biāo)軸I方向原始的坐標(biāo)值，δij是相應(yīng)的由前述計(jì)算獲得的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)修正量；7)對(duì)修正過(guò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次計(jì)算，檢查應(yīng)力結(jié)果①如果應(yīng)力在前面設(shè)定的區(qū)間內(nèi)，表明修正量滿足要求，可以輸出結(jié)果；②如果應(yīng)力高于設(shè)定的最高應(yīng)力，需要增大修正系數(shù)值，重新計(jì)算；③如果低于最低應(yīng)力值，需要減小修正量；最優(yōu)修正系數(shù)的搜索采用對(duì)分搜索算法，每次增大一倍或者減少二分之一，進(jìn)而確定變形修正向量δ；根據(jù)變形修正向量對(duì)原結(jié)構(gòu)修正以后，可以得到優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)與具體的結(jié)構(gòu)修正量有關(guān)。結(jié)構(gòu)的修正量越大，應(yīng)力降低得越多，但是修正后得結(jié)構(gòu)形狀與原有設(shè)計(jì)相差越多。所以要根據(jù)具體情況選擇合適的修正量，使得應(yīng)力和幾何形狀都滿足設(shè)計(jì)要求。五具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和專利技術(shù)人依本專利技術(shù)的技術(shù)方案所完成的具體實(shí)施例，對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。依本專利技術(shù)的技術(shù)方案，三通的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具體的操作步驟為1.根據(jù)計(jì)算獲得的應(yīng)力分布情況，設(shè)定一個(gè)應(yīng)力區(qū)間；2.如果結(jié)構(gòu)邊界上的應(yīng)力值在這個(gè)應(yīng)力區(qū)間內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)在這個(gè)區(qū)域的應(yīng)力水平是合適的，這部分邊界不作修正；3.如果結(jié)構(gòu)邊界上的應(yīng)力值小于這個(gè)區(qū)間的應(yīng)力值，表明結(jié)構(gòu)在這個(gè)區(qū)域的應(yīng)力水平是比較低，材料使用量有富裕，將這部分邊界沿結(jié)構(gòu)表面法線向結(jié)構(gòu)內(nèi)部修正；4.如果結(jié)構(gòu)邊界上的應(yīng)力值高于這個(gè)區(qū)間的應(yīng)力值，表明這部分的應(yīng)力水平過(guò)高，材料使用量不足，將這部分邊界沿結(jié)構(gòu)表面法線向結(jié)構(gòu)外部修正；5.形狀修正后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行計(jì)算，如果應(yīng)力水平未達(dá)到期望值，則改變修正量，返回2，重新修正原有模型，直到應(yīng)力水平滿足期望值。注位移修正量由結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力值確定，并與應(yīng)力值成比例。具體實(shí)施例以下是專利技術(shù)人以300MW汽輪機(jī)組主蒸汽管道上使用的熱擠壓成型三通的優(yōu)化過(guò)程為例，對(duì)本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案加以說(shuō)明。原有設(shè)計(jì)的最高應(yīng)力為293MPa，經(jīng)過(guò)幾何修正，最大修正量為主管外徑10％時(shí)，最高應(yīng)力降低了52.2％，應(yīng)力集中系數(shù)由3.74降低為1.79。由于應(yīng)力下降與最大修正量在這個(gè)范圍內(nèi)大體成線性關(guān)系，因此可以針對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)期望的最高應(yīng)力選擇具體的修正量。附圖說(shuō)明圖1是三通結(jié)構(gòu)圖。三通工作壓力為18.44MPa。由于壓力比較高，工作變形比較大，與之相連的接管在端面附近也有較大變形。分析模型中為了考慮接管的影響，將模型主管和支管加長(zhǎng)。建立的分析模型如圖2所示，與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)靜力分析的數(shù)學(xué)表達(dá)式為KX＝F (1) K表示結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，X為結(jié)點(diǎn)位移向量，F(xiàn)為載荷向量。結(jié)構(gòu)剛度矩陣K的構(gòu)造方法參見(jiàn)李景勇著《有限元法》一書(shū)的有關(guān)章節(jié)。以結(jié)點(diǎn)位移X為未知量；解上述線性方程組以后，可以得到分析模型中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的位移向量X。然后由幾何方程ε＝ε(X)(2)可以求得應(yīng)變向量ε。再由虎克定律σ＝Dε (3)得到應(yīng)力向量σ。D是彈性矩陣幾何方程和彈性矩陣的具體構(gòu)造可以參見(jiàn)一般的有限元著作，如李景勇的《有限元法》，朱伯芳的《有限單元法原理與應(yīng)用》。由上述計(jì)算過(guò)程得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(由第三強(qiáng)度理論得到的等效應(yīng)力，以下各圖中的應(yīng)力含義與此相同)分布如圖3所示。本專利技術(shù)的核心是根據(jù)三通結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力高低，對(duì)結(jié)構(gòu)外形做相應(yīng)修正，高應(yīng)力區(qū)體積增加，低應(yīng)力區(qū)相應(yīng)減少。過(guò)高的結(jié)構(gòu)應(yīng)力會(huì)使結(jié)構(gòu)不安全，過(guò)低的結(jié)構(gòu)應(yīng)力會(huì)使材料浪費(fèi)。因此可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求給結(jié)構(gòu)確定一個(gè)合理的承載范圍。這里設(shè)定三通的工作應(yīng)力范圍為30MPa～140MPa。期望的應(yīng)力范圍確定以后，還需確定一個(gè)應(yīng)力和變形修正量之間的關(guān)系。由于是對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，所以修正量δ的取值是小量。對(duì)于線彈性的有限元模型，可以認(rèn)為應(yīng)力和變形修正量之間保持線性關(guān)系δ＝cσ(4)δ是結(jié)點(diǎn)變形的修正向量，c是系數(shù)矩陣，反映應(yīng)力σ和變形修正量之間的比例關(guān)系。為了簡(jiǎn)便，將系數(shù)矩陣寫(xiě)成等值對(duì)角陣。這種情況下，系數(shù)矩陣可以寫(xiě)成標(biāo)量。在程序處理時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)設(shè)定的上限時(shí)，系數(shù)c取正值，表示邊界向結(jié)構(gòu)外修正。在設(shè)定的上下限之間(包括等于)時(shí)，系數(shù)取0，表示不修正相應(yīng)的邊界。應(yīng)力在設(shè)定的下限以下時(shí)，系數(shù)取負(fù)值，表示本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種三通的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)三通表面應(yīng)力的大小，修正結(jié)構(gòu)表面形狀，從而獲得一個(gè)應(yīng)力水平比較低，結(jié)構(gòu)外形比較合理的三通；其特征在于，按以下步驟進(jìn)行：１）建立分析模型分析模型中為了考慮接管的影響，將模型主管和支管加長(zhǎng)，與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)靜力分析的數(shù)學(xué)表達(dá)式為ＫＸ＝Ｆ（１）Ｋ表示結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，Ｘ為結(jié)點(diǎn)位移向量，Ｆ為載荷向量；２）以結(jié)點(diǎn)位移Ｘ為未知量，解上述線性方程組以后，可以得到分析模型中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的位移向量Ｘ；３）然后由幾何方程ε＝ε（Ｘ）（２）可以求得應(yīng)變向量ε；４）再由虎克定律σ＝Ｄε（３）式中，Ｄ是彈性矩陣，得到應(yīng)力向量σ；５）期望的應(yīng)力范圍確定以后，還需確定一個(gè)應(yīng)力和變形修正量之間的關(guān)系；由于是對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，所以修正量δ的取值是小量；對(duì)于線彈性的有限元模型，可以認(rèn)為應(yīng)力和變形修正量之間保持線性關(guān)系δ＝ｃσ（４）δ是結(jié)點(diǎn)變形的修正向量，ｃ是系數(shù)矩陣，反映應(yīng)力σ和變形修正量之間的比例關(guān)系；為了簡(jiǎn)便，將系數(shù)矩陣寫(xiě)成等值對(duì)角陣，這種情況下，系數(shù)矩陣可以寫(xiě)成標(biāo)量；６）確定δ的取值，進(jìn)行迭代計(jì)算；迭代計(jì)算的初值根據(jù)三通的原始結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果給定。將最高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值和位移的十分之一代入前面的變形和應(yīng)力的關(guān)系式，可以得到初始的系數(shù)值ｃ；然后根據(jù)結(jié)構(gòu)表面各結(jié)點(diǎn)上不同的應(yīng)力值確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修正量；結(jié)構(gòu)表面結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)修正公式為ｘ↓［ｉｊ］＝ｘ↓［ｉｊ］＋δ↓［ｉｊ］（５）ｉ＝１，２，３，表示三個(gè)直角坐標(biāo)方向，ｊ表示結(jié)點(diǎn)號(hào)；ｘ↓［ｉｊ］表示結(jié)點(diǎn)ｊ沿坐標(biāo)軸ｉ方向被修正后的新坐標(biāo)值，ｘ↓［ｉｊ］是結(jié)點(diǎn)ｊ沿坐標(biāo)軸Ｉ方向原始的坐標(biāo)值，δ↓［ｉｊ］是相應(yīng)的由前述計(jì)算獲得的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)修正量；７）對(duì)修正過(guò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次計(jì)算，檢查應(yīng)力結(jié)果①如果應(yīng)力在前面設(shè)定的區(qū)間內(nèi)，表明修正量滿足要求，可以輸出結(jié)果；②如果應(yīng)力高于設(shè)定的最高應(yīng)力，需要增大修正系數(shù)值，重新計(jì)算；③如果低于最低應(yīng)力值，需要減小修正量；最優(yōu)修正系數(shù)的搜索采用對(duì)分搜索算法，每次增大一倍或者減少二分之一，進(jìn)而確定變形修正向量δ；根據(jù)變形修正向量對(duì)原結(jié)構(gòu)修正以后，可以得到優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)。...

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王世軍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：87[中國(guó)|西安]