一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，采用基于遗传算法的自适应的优化设计方法，首先通过建立波纹管优化设计的数学模型计算波纹管几何参数、对波纹管几何参数进行优化，最后根据有限元软件对优化结果进行稳定性分析，实现了对外部承压的波纹管的优化设计，为外部承压的波纹管设计提供了一种快速可靠的方法；试验表明：经过本发明专利技术优化设计的承外压的波纹管的计算结果与试验结果吻合性很好，误差在10%以内，是一种有效可靠的承受外压的波纹管优化设计方法。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，采用基于遗传算法的自适应的优化设计方法，首先通过建立波纹管优化设计的数学模型计算波纹管几何参数、对波纹管几何参数进行优化，最后根据有限元软件对优化结果进行稳定性分析，实现了对外部承压的波纹管的优化设计，为外部承压的波纹管设计提供了一种快速可靠的方法；试验表明：经过本专利技术优化设计的承外压的波纹管的计算结果与试验结果吻合性很好，误差在10%以内，是一种有效可靠的承受外压的波纹管优化设计方法。【专利说明】一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法
本专利技术涉及一种外部承受高压的U型波纹管的优化设计方法，用于火箭及导弹增压输送系统阀门用多层U型波纹管产品的优化设计中，属于火箭及导弹增压输送系统阀门
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技术介绍
U形波纹管是一种弹性元件，作为一种重要的柔性连接和弹性补偿元件，以其良好的结构和性能，在石油、化工、电力、核能、航空航天等领域得到广泛应用，但一般情况下波纹管承受内压作用。承受外部高压的U形波纹管一般用以阀门的强制作动腔，起到低温密封以及补偿位移的作用，此种作用的波纹管需要在满足不发生平面失稳的状态下轴向刚度越小越好。目前，虽然波纹管的性能参数计算大多在国家标准中有规定的计算公式，但根据使用工况来计算设计特定的波纹管还是很繁琐，并且由于这些公式都是近似公式，并主要适用于内压波纹管，若用于外压波纹管会产生较大误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，该方法通过遗传算法能够较快速地自适应确定承受外压的波纹管的几何参数，并对确定参数的波纹管进行平面稳定性有限元分析，为外部承压的波纹管设计提供了一种快速可靠的设计方法。本专利技术的上述目的 主要是通过如下技术方案予以实现的:一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，包括如下步骤:步骤(一)、计算波纹管几何参数( I )、建立波纹管优化设计的数学模型以波纹管的内外径尺寸、波距、波宽、层数、波数以及原材料厚度为优化变量，以强度评价系数、临界平面失稳压力以及允许外径最大尺寸为约束条件，建立波纹管优化设计的数学模型，即在下列ST所述的条件下，变化Φ中的各个参数，使得Kx最小，所述数学模型如下:M【权利要求】1.一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤(一)、计算波纹管几何参数 (I )、建立波纹管优化设计的数学模型 以波纹管的内外径尺寸、波距、波宽、层数、波数以及原材料厚度为优化变量，以强度评价系数、临界平面失稳压力以及允许外径最大尺寸为约束条件，建立波纹管优化设计的数学模型，即在下列ST所述的条件下，变化Φ中的各个参数，使得Kx最小，所述数学模型如下: 其中:κχ为波纹管轴向刚度，E为弹性模量，波高b=￥，Cf为位移引起的波纹管子午向薄膜应力系数，S为原材料厚度，Φ为优化设计变量，eir0l、eiT02、err03为强度评价系数，Psi为临界平面失稳压力，P为波纹管外部承受压力，Dmax为允许外径最大尺寸，D为外径尺寸，d为内径尺寸，t为波距，a为波宽，η为波数，Z为层数，σ为内应力，σρ为内压力引起的最大等效应力，Cw为焊接系数；Cm为材料强度系数； (2 )、优化计算波纹管几何参数 (a)、根据初始定义的外径尺寸D，内径尺寸d，波距t，波宽a，波数η和层数Z计算初始内应力σ、初始的内压力引起的最大等效应力σρ和初始的波纹管轴向刚度Kx，再将焊接系数Cw和计算得到的所述初始内应力σ、初始的内压力引起的最大等效应力σρ、初始的波纹管轴向刚度Kx代入下式计算强度评价系数errol、erro2、erro3和平面失稳临界压力Psi ； (b)、将计算得到的强度评价系数enx)l、eiT02、err03和平面失稳临界压力Psi根据步骤(I)中所述的ST条件进行判断，若不满足条件，则在设定的范围内对外径尺寸D，内径尺寸d，波距t，波宽a，波数η和层数Z进行调整，返回步骤(a)，若满足条件，进入步骤(C)； (C)、根据如下公式计算波纹管轴向刚度Kx，并作为满足约束条件的优化目标值: (d)、在设定范围内变化外径尺寸D，内径尺寸d，波距t，波宽a，波数η和层数Ζ，根据步骤(a)中的公式重新计算强度评价系数errol、erro2、e;r;ro3和平面失稳临界压力Psi，若满足步骤(I)中所述的ST条件，则返回步骤(C)，计算波纹管轴向刚度K，并与步骤(c)中的&进行比较，二者中取最小值作为新的优化目标值； (e)、所述新的优化目标值对应的外径尺寸D，内径尺寸d，波距t，波宽a，波数η作为最终优化的波纹管设计尺寸参数； 步骤(二 )、对波纹管进行平面稳定性有限元分析，具体方法如下: (3)、利用有限元软件根据步骤(e)得到的波纹管设计尺寸参数建立波纹管模型，并为波纹管模型定义材料属性，所述材料属性包括弹性模量、屈服强度、破坏强度以及延伸率； (4)、设置边界条件，波纹管直边段一边为固支约束，另一边为位移约束； (5)、定义接触，定义波纹管各波之间以及各层之间为自接触约束； (6 )、添加波纹管承受的外压力以及波纹管受到的位移载荷； (7)、有限元离散，将增量本构方程与应力应变演化本构方程一起组成离散增量列式，进行有限元求解； (8)、利用有限元软件进行仿真计算，得到波纹管的应力值与波距的位移值； (9)、将稳定性判定准则对波纹管的应力值与波距的位移值进行判读分析，若波纹管波谷最大变形量超过15%，则不满足要求，返回步骤(一)，重新计算，若满足要求，则所述步骤Ce)得到的波纹管设计尺寸参数作为最终设计依据。2.根据权利要求1所述的一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，其特征在于:所述步骤(3)中波纹管模型根据轴对称结构采用二维模型。3.根据权利要求1所述的一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，其特征在于:所述步骤(7)中采用Newton-Raphson方法进行有限元求解。4.根据权利要求1所述的一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，其特征在于:根据阀门强制作用气压力、强制作用方向上反作用力以及强制作用方向上的尺寸链确定波纹管外部承受压力P、轴向刚度Kx的范围以及波纹管轴向压缩量。5. 根据权利要求1所述的一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，其特征在于:所述允许外径最大尺寸Dmax根据装配波纹管处阀门内部空间确定。【文档编号】G06F17/50GK103473410SQ201310404365【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日 【专利技术者】孙海鹏, 曾斌, 李德权, 孙法国, 史刚, 余锋, 石朝锋 申请人:北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外部承受高压的U型波纹管优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤（一）、计算波纹管几何参数（1）、建立波纹管优化设计的数学模型以波纹管的内外径尺寸、波距、波宽、层数、波数以及原材料厚度为优化变量，以强度评价系数、临界平面失稳压力以及允许外径最大尺寸为约束条件，建立波纹管优化设计的数学模型，即在下列ST所述的条件下，变化Φ中的各个参数，使得Kx最小，所述数学模型如下：Min:Kx,Kx=1.7DEδ3Zh3Cf,Φ=(D,d,t,a,n)ST:erro1=σ1Cw[σ]≤1,erro2=σ2Cw[σ]≤1,erro3=σpCm[σ]≤1Psi≥pD≤Dmax其中：Kx为波纹管轴向刚度，E为弹性模量，波高Cf为位移引起的波纹管子午向薄膜应力系数，δ为原材料厚度，Φ为优化设计变量，erro1、erro2、erro3为强度评价系数，Psi为临界平面失稳压力，p为波纹管外部承受压力，Dmax为允许外径最大尺寸，D为外径尺寸，d为内径尺寸，t为波距，a为波宽，n为波数，Z为层数，σ为内应力，σp为内压力引起的最大等效应力，Cw为焊接系数；Cm为材料强度系数；（2）、优化计算波纹管几何参数（a）、根据初始定义的外径尺寸D,内径尺寸d，波距t，波宽a，波数n和层数Z计算初始内应力σ、初始的内压力引起的最大等效应力σp和初始的波纹管轴向刚度Kx，再将焊接系数Cw和计算得到的所述初始内应力σ、初始 的内压力引起的最大等效应力σp、初始的波纹管轴向刚度Kx代入下式计算强度评价系数erro1、erro2、erro3和平面失稳临界压力Psi；erro1=σ1Cw[σ],erro2=σ2Cw[σ],erro3=σpCm[σ],psi=0.34πKxn2t（b）、将计算得到的强度评价系数erro1、erro2、erro3和平面失稳临界压力Psi根据步骤（1）中所述的ST条件进行判断，若不满足条件，则在设定的范围内对外径尺寸D,内径尺寸d，波距t，波宽a，波数n和层数Z进行调整，返回步骤（a），若满足条件，进入步骤（c）；（c）、根据如下公式计算波纹管轴向刚度Kx，并作为满足约束条件的优化目标值：Kx=1.7DEδ3Zh3Cf（d）、在设定范围内变化外径尺寸D,内径尺寸d，波距t，波宽a，波数n和层数Z，根据步骤（a）中的公式重新计算强度评价系数erro1、erro2、erro3和平面失稳临界压力Psi，若满足步骤（1）中所述的ST条件，则返回步骤（c），计算波纹管轴向刚度并与步骤（c）中的Kx进行比较，二者中取最小值作为新的优化目标值；（e）、所述新的优化目标值对应的外径尺寸D,内径尺寸d，波距t，波宽a，波数n作为最终优化的波纹管设计尺寸参数；步骤（二）、对波纹管进行平面稳定性有限元分析，具体方法如下：（3）、利用有限元软件根据步骤（e）得到的波纹管设计尺寸参数建立波纹管模型，并为波纹管模型定义材料属性,所述材料属性包括弹性模量、屈服强度、破坏强度以及延伸率；（4）、设置边界条件，波纹管直边段一边为固支约束，另一边为位移约束；（5）、定义接触，定义波纹管各波之间以及各层之间为自接触约束；（6）、添加波纹管承受的外压力以及波纹管受到的位移载荷；（7）、有限元离散，将增量本构方程与应力应变演化本构方程一起组成离散增量列式，进行有限元求解；（8）、利用有限元软件进行仿真计算，得到波纹管的应力值与波距的位移值；（9）、将稳定性判定准则对波纹管的应力值与波距的位移值进行判读分析，若波纹管波谷最大变形量超过15%，则不满足要求，返回步骤（一），重新计算，若满足要求，则所述步骤（e）得到的波纹管设计尺寸参数作为最终设计依据。FDA0000378561230000013.jpg,FDA0000378561230000023.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海鹏，曾斌，李德权，孙法国，史刚，余锋，石朝锋，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：