孔网钢增强塑料复合管应力强度优化设计.pdf

第28卷第4期
计算机仿真
2011年4月
文章编号:1006-9348(2011)04-0221-05
孔网钢增强塑料复合管应力强度优化设计
林谋金,唐吴,刘荣风,王晓春
(四川大学建筑与环境学院,四川成都61005)
摘要:研究增强塑料复合管强度冋题,孔网钢增强塑料复合管是一种新型复合管,由于国内对复合管的力学性能、孔间距等
研究较少,为了在满足复合管应力强度等力学性能,提高强度的精确性,节约生产和实验成本,提出用有限元一阶方法对复
合管进行优化设计,建立优化数据模型,进行仿真,结果显示了复合管经优化后,有效减少复合管中孔网钢的厚度,节约成本
20%左右。并采用增大孔边网格密度,使结果趋于精确值,并对复合管刚度进行验证,验证结果表明满足要求,为复合管的
工业设计提供了一个参考。
关词:孔钢增强塑料复合管;有限元;一阶方法;优化
中图分类号:1P02+,7;03文献标识码:A
Optimization of PSSCP Based on Computer Simulation
LIN Mou-jin, TANG Hao, LIU Rong-feng, WANG Xiao-chun
College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China
ABSTRACT: Perforated teel trip Composi Plastics(PSCP) is a new compsite pipe which is acknowledged
worl e n his aer in rer o me e stss ten h of composite pipe mechanical properties for saving
composie u o a x m l e f oer fini e element method is used. The calcu
sl how a u e m e d l h of m r fiel, and e
costs is reduced by 20%. Finally, by increasing the mesh densiy f e dge, he results tend to exact values, and
composite pipe stifness is validate The optimization urement ae satisfied by the validation as well, which pr
vides a new way for PSSCP'S optimization
KEY WORDS: PSSCP; ANSYS; First -order method; Optimization
情况,采用在两种材料接触面处共用节点的方法解决,对于
1引富
第二个难点,利用mesh200单元刘分曲面,然后通过沿径向
孔网钢增强塑料复合管是传统不锈钢管、铜管、衬塑管拉伸面单元生成体单元。建模后利用有限元软件 ANSYS中
较理想的替代产品,是民用建筑、城市供水、域市供气、石油一阶优化方法在满足应力强度等力学性能条件下,调整复合
化工、电力、制药、治金等行业理想的应用管道,是国内外公管中孔的大小和间距,减小钢板的厚度,提高钢的利用率,减
认的一种新型复合管。目前国内对这种复合管的力学性少实验和生产成本。
能、孔间距等研究较少,很多生产复合管公同先生产出复合
管,然后对样管进行抗压力爆破实验来确定安全使用的压力2优化设计原理
值,不满足要求得重新改变孔间距和钢板博度重新实验。这2.1甚本原理
些使得全国各公司生产复合管的规格不统一,并且每个公司
优化问题的基本原理是通过优化模型的建立后运用各
都要对生产出来的复合管进行实验,造成很大的浪费。针对种优化方法,在满足设计要求的条件下迭代计算,求得目标
上述情况,本文利用样本管的参数对孔网钢增强塑料复合管
函数的极值,得到最优设计方案。优化问题的数学模型可表
进行有限元建模,建模的主要难点在于两种材料连接处的处
示为21
理和六面体网格的划分。对于第一个难点,根据复合管受力
MinF(X)=(X1,2,…,Z)
Find X=(X1, ],,), TER
收稿日期:2010-03-15修回日期:2010-04-15
g:(X)=g(X1,2,…,X)≤0,i=(1,2,…,ル),
万方数据
h(X)=h(X1,X2,…,X。)=0j=(1,2,…,n),
式中,为收敛容差。
式中,F(X)为设计变量的目标函数;X。为设计变量;g(X)和
在优化过程中, ANSYS程序自动提供了一系列的分
h(X)为约束条件;和j为状态变量的个数。
析一一评估一一修正的循环过程。就是对于初始设计进行
2.2一阶优化方法
分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修正设计。这
ANSYS程序提供了现成的优化方法,其中一阶方法是通一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止“。
过对目标函数添加罚函数将约束问题转换为非约東问题,如图1所示。
利用日标函数和优化变量罚函数的导数在设计空间进行搜
索。在每次送代中,通过梯度计算(用最速下降法或共轭梯
度法)来确定其搜索方向,并用线性搜索法对非约束问题进
ANSYS
行最小化。
无约束目标函数
ANSYS
Q(x,9)=
2
P(g)+∑P(ん)+∑P(,)
OPEXE Laop File
nunally OPEX?
Database
式中,Q为无约束问题的目标函数;P2,P2,P,P。为约東条
OHEXE
File. OPO
件和优化变量的罚因子为目标函数值:6为参考目标函数
初始值;q为响应面参数。
File OFT
对于第j次优化迭代,先假定一个搜索方向矢量d,则
Dnta F
第j+1次迭代表示为:
图1优化数据流向图
式中,5为线性搜索参数,对应于搜索方向d上最小步进
值,使用黄金分割比和局部的平方拟合技术得到,其范围
3有限元建模和计算
限制为:
3.1物理模型及材料参数
孔网钢带塑料复合管简称孔网钢塑管(PSCP),是以高
0≤≤1
(3)密度聚乙烯塑料为基材,选用冷轧钢带,按一定的孔隙率神
式中,为最大可用步进量,在当前送代步下由程序计孔,然后在自动控制生产线上,以氢弧焊焊接成型为多孔薄
算出。
璧钢网孔管,再经注塑段,连续将基材塑料挤出,包覆于网孔
搜索方向d是程序由最大斜度法或共轭梯度法计算出管内外,经水冷,复合成型。管道双面均包覆有塑料材料,并
来的。在初始送代j=0)时,先假定无约束目标函数的负梯通过孔网铆接,钢塑结合力强,时压性能好,机械性能高。由
度方向为搜索方向,即:
于增强体通过洞孔完全被包裂在塑料之中,因此,这种复合
vQ(x0,9)=d°+d
(4)管克服了钢管和塑料管各自的缺点,又保留了钢管和塑料管
式中,q=1,49=-VQ(x),d=-VQ,(xの)。而对于各自优点。如图2所示。
其他任一步(j>0),利用 Polak- Ribiere的递归公式来确定
其收敛方向,即
孔则锅