一種外部承受高壓的u型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法，采用基于遺傳算法的自適應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法，首先通過建立波紋管優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型計算波紋管幾何參數(shù)、對波紋管幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后根據(jù)有限元軟件對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)了對外部承壓的波紋管的優(yōu)化設(shè)計，為外部承壓的波紋管設(shè)計提供了一種快速可靠的方法；試驗表明：經(jīng)過本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計的承外壓的波紋管的計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合性很好，誤差在10%以內(nèi)，是一種有效可靠的承受外壓的波紋管優(yōu)化設(shè)計方法。
【專利說明】一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種外部承受高壓的U型波紋管的優(yōu)化設(shè)計方法，用于火箭及導(dǎo)彈增壓輸送系統(tǒng)閥門用多層U型波紋管產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計中，屬于火箭及導(dǎo)彈增壓輸送系統(tǒng)閥門【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]U形波紋管是一種彈性元件，作為一種重要的柔性連接和彈性補(bǔ)償元件，以其良好的結(jié)構(gòu)和性能，在石油、化工、電力、核能、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但一般情況下波紋管承受內(nèi)壓作用。承受外部高壓的U形波紋管一般用以閥門的強(qiáng)制作動腔，起到低溫密封以及補(bǔ)償位移的作用，此種作用的波紋管需要在滿足不發(fā)生平面失穩(wěn)的狀態(tài)下軸向剛度越小越好。
[0003]目前，雖然波紋管的性能參數(shù)計算大多在國家標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定的計算公式，但根據(jù)使用工況來計算設(shè)計特定的波紋管還是很繁瑣，并且由于這些公式都是近似公式，并主要適用于內(nèi)壓波紋管，若用于外壓波紋管會產(chǎn)生較大誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法，該方法通過遺傳算法能夠較快速地自適應(yīng)確定承受外壓的波紋管的幾何參數(shù)，并對確定參數(shù)的波紋管進(jìn)行平面穩(wěn)定性有限元分析，為外部承壓的波紋管設(shè)計提供了一種快速可靠的設(shè)計方法。
[0005]本發(fā)明的上述目的 主要是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0006]一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟:
[0007]步驟(一)、計算波紋管幾何參數(shù)
[0008]( I )、建立波紋管優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型
[0009]以波紋管的內(nèi)外徑尺寸、波距、波寬、層數(shù)、波數(shù)以及原材料厚度為優(yōu)化變量，以強(qiáng)度評價系數(shù)、臨界平面失穩(wěn)壓力以及允許外徑最大尺寸為約束條件，建立波紋管優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，即在下列ST所述的條件下，變化Φ中的各個參數(shù)，使得Kx最小，所述數(shù)學(xué)模型如下:
[0010]M
【權(quán)利要求】
1.一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟(一)、計算波紋管幾何參數(shù) (I )、建立波紋管優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型 以波紋管的內(nèi)外徑尺寸、波距、波寬、層數(shù)、波數(shù)以及原材料厚度為優(yōu)化變量，以強(qiáng)度評價系數(shù)、臨界平面失穩(wěn)壓力以及允許外徑最大尺寸為約束條件，建立波紋管優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，即在下列ST所述的條件下，變化Φ中的各個參數(shù)，使得Kx最小，所述數(shù)學(xué)模型如下: 其中:κχ為波紋管軸向剛度，E為彈性模量，波高b=￥，Cf為位移引起的波紋管子午向薄膜應(yīng)力系數(shù)，S為原材料厚度，Φ為優(yōu)化設(shè)計變量，eir0l、eiT02、err03為強(qiáng)度評價系數(shù)，Psi為臨界平面失穩(wěn)壓力，P為波紋管外部承受壓力，Dmax為允許外徑最大尺寸，D為外徑尺寸，d為內(nèi)徑尺寸，t為波距，a為波寬，η為波數(shù)，Z為層數(shù)，σ為內(nèi)應(yīng)力，σρ為內(nèi)壓力引起的最大等效應(yīng)力，Cw為焊接系數(shù)；Cm為材料強(qiáng)度系數(shù)； (2 )、優(yōu)化計算波紋管幾何參數(shù) (a)、根據(jù)初始定義的外徑尺寸D，內(nèi)徑尺寸d，波距t，波寬a，波數(shù)η和層數(shù)Z計算初始內(nèi)應(yīng)力σ、初始的內(nèi)壓力引起的最大等效應(yīng)力σρ和初始的波紋管軸向剛度Kx，再將焊接系數(shù)Cw和計算得到的所述初始內(nèi)應(yīng)力σ、初始的內(nèi)壓力引起的最大等效應(yīng)力σρ、初始的波紋管軸向剛度Kx代入下式計算強(qiáng)度評價系數(shù)errol、erro2、erro3和平面失穩(wěn)臨界壓力Psi ； (b)、將計算得到的強(qiáng)度評價系數(shù)enx)l、eiT02、err03和平面失穩(wěn)臨界壓力Psi根據(jù)步驟(I)中所述的ST條件進(jìn)行判斷，若不滿足條件，則在設(shè)定的范圍內(nèi)對外徑尺寸D，內(nèi)徑尺寸d，波距t，波寬a，波數(shù)η和層數(shù)Z進(jìn)行調(diào)整，返回步驟(a)，若滿足條件，進(jìn)入步驟(C)； (C)、根據(jù)如下公式計算波紋管軸向剛度Kx，并作為滿足約束條件的優(yōu)化目標(biāo)值: (d)、在設(shè)定范圍內(nèi)變化外徑尺寸D，內(nèi)徑尺寸d，波距t，波寬a，波數(shù)η和層數(shù)Ζ，根據(jù)步驟(a)中的公式重新計算強(qiáng)度評價系數(shù)errol、erro2、e;r;ro3和平面失穩(wěn)臨界壓力Psi，若滿足步驟(I)中所述的ST條件，則返回步驟(C)，計算波紋管軸向剛度K，并與步驟(c)中的&進(jìn)行比較，二者中取最小值作為新的優(yōu)化目標(biāo)值； (e)、所述新的優(yōu)化目標(biāo)值對應(yīng)的外徑尺寸D，內(nèi)徑尺寸d，波距t，波寬a，波數(shù)η作為最終優(yōu)化的波紋管設(shè)計尺寸參數(shù)； 步驟(二 )、對波紋管進(jìn)行平面穩(wěn)定性有限元分析，具體方法如下: (3)、利用有限元軟件根據(jù)步驟(e)得到的波紋管設(shè)計尺寸參數(shù)建立波紋管模型，并為波紋管模型定義材料屬性，所述材料屬性包括彈性模量、屈服強(qiáng)度、破壞強(qiáng)度以及延伸率； (4)、設(shè)置邊界條件，波紋管直邊段一邊為固支約束，另一邊為位移約束； (5)、定義接觸，定義波紋管各波之間以及各層之間為自接觸約束； (6 )、添加波紋管承受的外壓力以及波紋管受到的位移載荷； (7)、有限元離散，將增量本構(gòu)方程與應(yīng)力應(yīng)變演化本構(gòu)方程一起組成離散增量列式，進(jìn)行有限元求解； (8)、利用有限元軟件進(jìn)行仿真計算，得到波紋管的應(yīng)力值與波距的位移值； (9)、將穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則對波紋管的應(yīng)力值與波距的位移值進(jìn)行判讀分析，若波紋管波谷最大變形量超過15%，則不滿足要求，返回步驟(一)，重新計算，若滿足要求，則所述步驟Ce)得到的波紋管設(shè)計尺寸參數(shù)作為最終設(shè)計依據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述步驟(3)中波紋管模型根據(jù)軸對稱結(jié)構(gòu)采用二維模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述步驟(7)中采用Newton-Raphson方法進(jìn)行有限元求解。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:根據(jù)閥門強(qiáng)制作用氣壓力、強(qiáng)制作用方向上反作用力以及強(qiáng)制作用方向上的尺寸鏈確定波紋管外部承受壓力P、軸向剛度Kx的范圍以及波紋管軸向壓縮量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部承受高壓的U型波紋管優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述允許外徑最大尺寸Dmax根據(jù)裝配波紋管處閥門內(nèi)部空間確定。
【文檔編號】G06F17/50GK103473410SQ201310404365
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】孫海鵬, 曾斌, 李德權(quán), 孫法國, 史剛, 余鋒, 石朝鋒 申請人:北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院