一种基于克里金代理模型的核电蒸汽安全阀阀瓣的优化设计方法技术

一种基于克里金代理模型的核电蒸汽安全阀阀瓣的优化设计方法，属于核电安全阀阀瓣的优化设计领域，以核电安全阀的阀瓣为研究对象。优化设计方法为：首先，通过有限元仿真分析，计算安全阀正常工作状态下密封面的平均接触压力、接触宽度及阀瓣的最大等效应力；然后，选定阀瓣密封唇处的五个结构参数作为设计变量，选取样本点并获得响应值，构建克里金代理模型。以阀瓣的密封性能最好为优化目标，以阀瓣的最大等效应力作为约束条件，对阀瓣结构进行优化设计；最后，对优化后的阀瓣模型进行有限元仿真分析，对优化方法的精度进行验证并分析优化效果。本发明专利技术计算结果准确性高，能够实现阀瓣的密封性能的提升，密封接触强度提高36.30％，等效应力幅值减小37.60％。等效应力幅值减小37.60％。等效应力幅值减小37.60％。

【技术实现步骤摘要】
一种基于克里金代理模型的核电蒸汽安全阀阀瓣的优化设计方法


[0001]本专利技术属于核电安全阀阀瓣的结构优化设计领域，涉及到一种基于克里金代理模型的核电蒸汽安全阀阀瓣的优化设计方法。
技术背景
[0002]安全阀作为压力系统的最后一道被动保护措施，被广泛应用于化工、核电等领域。阀瓣作为安全阀的启闭件，是安全阀最重要的部件之一，其结构对安全阀的安全性能有重要影响。通常情况下，核电安全阀的安全性能比普通安全阀的性能要求还要高，未来的核电安全阀研究方向和发展趋势将主要围绕“安全”二字展开。因此，核电蒸汽安全阀阀瓣的结构优化设计对安全阀设计具有重要意义。
[0003]现有的核电蒸汽安全阀阀瓣结构主要来源于国外一些安全阀公司，结构优化设计主要依靠书上的理论公式和设计师的经验。这样的设计方法存在诸多缺陷，例如设计成本高，优化效果不明显，效率低等，同时最后优化的结构很大概率不是最优的结构。
[0004]核电蒸汽安全阀的正常工作环境是高温高压，对于高温高压蒸汽安全阀来说，严重影响其安全性能的是它的密封性能，密封性能差可能会导致安全阀内的高温介质泄露伤人。故本专利技术针对核电蒸汽安全阀的密封性能进行结构优化，通过有限元仿真分析，提取密封面的接触信息，确定密封评价指标，并使用试验设计和克里金代理模型技术，得到安全阀密封响应的代理模型，从而得到最优的阀瓣密封结构。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题：改善现有技术的优化计算效率低，无法快速、精确寻找到最优解的不足，提出一种计算时间段，能够快速准确寻优的基于克里金代理模型的核电蒸汽安全阀阀瓣的结构优化设计方法，该方法适用于各种安全阀阀瓣的结构优化设计。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于克里金代理模型的核电蒸汽安全阀阀瓣的优化设计方法，该方法以核电蒸汽安全阀的阀瓣为研究对象，针对安全阀实际工况，通过有限元仿真分析，得到阀瓣正常工作状态下密封面上的平均接触压力、接触宽度及阀瓣的最大等效应力，根据其结构特点确定五个结构参数作为优化的设计变量，通过最优拉丁超立方试验设计方法选取足够多的样本点，以阀瓣密封性能最好为优化目标，以阀瓣最大等效应力为约束条件，建立阀瓣密封响应的克里金代理模型，结合遗传优化算法(GA)，寻找最优解，在保证阀瓣结构强度的前提下得到密封性能最好的阀瓣结构，最后对优化后的阀瓣进行有限元仿真分析，评价优化结果的精度，验证该优化方法的准确性。
[0008]该优化设计方法具体步骤如下：
[0009]第一步，确定研究对象及其载荷和约束条件，建立有限元模型，进行有限元仿真计算，并分析其计算结果。
[0010]1.1)研究对象为核电蒸汽安全阀的阀瓣，在安全阀正常工作状态下，作用在阀瓣上的力有：介质压力、阀座的支撑力、弹簧力及弹簧、阀杆和钢球等部件的重力。确定安全阀内高温介质的温度、介质压力及压在阀瓣上的弹簧力，同时确定安全阀整体所受约束：进口和出口处均受到径向和轴向约束。
[0011]1.2)根据所研究安全阀的实际结构关系和尺寸大小，初步建立安全阀三维模型，保留对分析结果产生重要影响的部件：阀座、阀瓣、衬套及导套1。然后对模型进行简化处理，对不影响分析的微小结构特征予以忽略，例如倒角、圆角、小孔和槽等结构，明确重点分析的对象。由于是轴对称结构，故采用八分之一模型进行计算，在不影响计算结构的前提下尽量节约计算时间。
[0012]1.3)对简化后的安全阀三维模型进行网格划分，阀瓣结构复杂且为轴对称模型，故采用三角形扫掠网格；其他部件比较规则，采用六面体网格划分。根据步骤1.1)确定的载荷及约束，对安全阀进行热力耦合分析，得到有限元分析结果，结果包括安全阀的温度分布、阀瓣所受最大等效应力、阀瓣密封面的平均接触压力及接触面的接触宽度等结果。观察安全阀的温度分布云图、等效应力分布云图及等效位移云图，高温主要分布在与蒸汽介质接触的部件，距离蒸汽介质越远的部件，温度越低；阀瓣的最大应力出现在阀瓣主要受力和最薄弱的密封唇处，阀瓣密封唇处由于高温和受力向内变形最大；接触压力分布在密封面的外径上，接触压力由外径向内径逐渐降低。
[0013]第二步，确定设计变量及其尺寸范围，并进行参数化建模。
[0014]2.1)根据所得有限元分析的结果可知，影响密封面的平均接触压力、密封面的接触宽度及阀瓣的最大等效应力的结构参数主要是密封唇及密封面附近的几个结构参数，因此选定密封唇厚度x1、密封面宽度x2、密封唇倾角x3、密封唇内侧距离x4和密封唇关键半径x5，这五个结构参数作为优化的设计变量，保持阀瓣的整体尺寸不变，同时根据设计要求，保持密封中径大小不变。然后根据阀瓣加工的工艺要求和结构尺寸间的相互关系，初步确定设计变量的尺寸范围，根据初步确定的尺寸范围，选取尺寸的边界值进行仿真计算，分析计算结果并判断尺寸范围是否合理，出现结构强度不满足的情况时再缩小尺寸范围，重新确定五个设计变量的尺寸范围，保证其合理性。
[0015]2.2)然后采用最优拉丁超立方试验设计方法，在设计变量的尺寸范围内随机均匀抽样，得到均匀且足够多的样本点，通常情况下，优化问题的样本点数量应超过10n，其中n为设计变量的数量。利用Solidworks软件中参数化建模的功能，建立阀瓣三维模型，对五个结构尺寸进行参数化，并得到样本点对应的所有模型。将Solidworks与ANSYS进行关联，实现在ANSYS中修改模型参数，即可改变模型的功能。在完成参数化建模之后，根据第一步确定的仿真方法，对所有样本点进行仿真计算，获取样本点的响应值：密封面的接触宽度y1、密封面的平均接触压力y2和阀瓣最大等效应力y3。至此，每一组x1,x2,x3,x4,x5都对应一组y1,y2,y3，目标函数y＝y1*(y2)
1.2
，约束函数为阀瓣的最大等效应力y3。
[0016]第三步，建立克里金代理模型，评价模型精度。
[0017]3.1)根据上一步获得的样本点x1,x2,x3,x4,x5及其响应值y1,y2,y3,分别建立y1,y2和y3的三个克里金代理模型，所构建的三个代理模型的表达式为其中x为设计变量，为常数β的估计值，R
‑1为相关矩阵R的逆，r为相关向量，y为样本点的响应值，q为样本点的单位向量，n为设计变量的数量。
[0018]3.2)然后利用留出法评估代理模型精度，采用决定系数R2来评价所构建代理模型的精度。采用最优拉丁超立方取样方法，随机抽取测试点，对比每个测试点相对于代理模型的精度，然后得到所有点精度的R2平均值，作为评价模型精度的R2，分别计算所构建的三个代理模型的拟合精度。R2值越接近1，说明代理模型的精度越高，所构建的代理模型精度评价标准决定系数R2的计算表达式为：其中，n为测试点的个数，为第i个输出值的预测值，y
i
为第i个输出值的仿真值，为n个测试点的输出值的均值。经过计算，构建的三个克里金代理模型R2值均超过0.9，表明了克里金代理模型和仿真计算具有良好的重合性，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于克里金代理模型的核电蒸汽安全阀阀瓣的优化设计方法，其特征在于，所述的优化设计方法包括以下步骤：第一步，确定研究对象及载荷和约束条件，建立有限元模型，进行有限元仿真计算，分析仿真结果；1.1)研究对象为核电蒸汽安全阀的阀瓣，在安全阀正常工作状态下，作用在阀瓣上的力有：介质压力、阀座的支撑力、弹簧力及弹簧、阀杆和钢球部件的重力；确定安全阀内高温介质的温度、介质压力及压在阀瓣上的弹簧力，同时确定安全阀整体所受约束；1.2)根据所研究安全阀的实际结构关系和尺寸大小，初步建立安全阀的三维模型，保留对分析结果产生重要影响的部件：阀座、阀瓣、衬套及导套；对安全阀三维模型进行简化处理；1.3)对简化后的安全阀三维模型进行网格划分，阀瓣结构复杂且为轴对称模型，采用三角形扫掠网格；其他部件比较规则，采用六面体网格划分；根据步骤1.1)确定的载荷及约束，对安全阀进行热力耦合分析，得到有限元分析结果，结果包括安全阀的温度分布、阀瓣所受最大等效应力、阀瓣密封面的平均接触压力及接触面的接触宽度；第二步，确定设计变量及其尺寸范围，进行参数化建模，获取样本点的响应值；2.1)根据所得有限元分析的结果可知，影响密封面平均接触压力、密封面接触宽度及阀瓣最大等效应力的结构参数主要是密封唇及密封面附近的几个结构参数，因此选定密封唇厚度x1、密封面宽度x2、密封唇倾角x3、密封唇内侧距离x4和密封唇关键半径x5，这五个结构参数作为优化的设计变量，保持阀瓣的整体尺寸不变，同时保持密封中径大小不变；然后根据阀瓣加工的工艺要求和结构尺寸间的相互关系，初步确定设计变量的尺寸范围，根据初步确定的尺寸范围，选取尺寸的边界值进行仿真计算，分析计算结果并判断尺寸范围是否合理，出现结构强度不满足的情况时再缩小尺寸范围，重新确定五个设计变量的尺寸范围，保证其合理性；2.2)采用最优拉丁超立方试验设计方法，在设计变量的尺寸范围内随机抽样，得到均匀且足够多的的样本点；建立阀瓣三维模型，对五个结构尺寸进行参数化，并得到样本点对应的所有模型；在完成参数化建模之后，根据第一步确定的仿真方法，对所有样本点进行仿真计算，获取样本点的仿真响应值：密封面的接触宽度y1、密封面的平均接触压力y2和阀瓣最大等效应力y3；至此，每一组x1,x2,x3,x4,x5都对应一组y1,y2,y3，目标函数y＝y1*(y2)
1.2
，约束函数为阀瓣的最大等效应力y3；第三步，构建克里金代理模型，评价模型精度；3.1)根据上一步获得的样本点x1,x2,x3,x4,x5及其响应值y1,y2,y3,分别建立y1,y2和y3的三个克里金代理模型；3.2)利用留出法评估代理模型精度，采用决定系数R2评价所构建代理模型的精度；随机抽取测试点，对比每个测试点相对于代理模型的精度，得到所有点精度的R2平均值，作为评价模型精度的R2，分别计算所构建的三个克里金代理模型的拟合精度；第四步，建立优化问题模型，求出最优解；4.1)优化的最终目标是：在阀瓣满足强度要求的前提下，密封性能最好；因此，引入一个密封评价指标：密封接触强度W；则最终的优化问题模型建立如下：
其中，max(y(x))表示优化的目标为密封接触强度，即目标函数最大化，σ
s
为阀瓣材料的屈服强度，x＝[x1，...，x5]
T
为设计变量，i＝1，2，
…
，5，x
L
、x
U
为设计变量取值的下限和上限；4.2)根据遗传优化算法GA，在设计变量的尺寸范围内选择初始种群：[x
10
,x

【专利技术属性】
技术研发人员：宋学官，张建华，王硕，宗超勇，李清野，刘富文，周威豪，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：