[发明专利]一种三通的形状优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种机械结构形状优化设计，特别涉及一种三通的形状优化设计方法。

背景技术

三通作为压力容器和压力管道系统的一种常见结构，广泛应用于火力发电厂、核反应堆及石油化工等行业。

《压力容器的应力分析与强度设计》一书第140页～141页披露，根据现有三通结构设计规范设计的三通，其主管和支管内相贯线的拐角处形成比较高的应力集中，致使三通成为管道中易于损坏的构件。

《关于主蒸汽管道上减温三通裂缝的探讨》一文中叙述到，三通结构本身的成本并不高，但因更换或修补三通导致管道系统非正常停机造成的经济损失常常是巨大的。电站锅炉设备中使用的三通，处于高温高压环境中，一旦发生破坏，往往会导致严重的事故。因此，降低三通结构的应力集中程度，对于提高三通的使用寿命，降低管道系统的故障率具有十分重要的意义。

目前，国内使用的三通设计标准有多个，如国家标准GB12459-90，原电力部标准GD87-1101，美国国家标准ANSI B16.9(1986)，此外还有德国(DIN)标准和日本(JIS)标准。这些标准制定的三通的几何形状基本相同，只是在尺寸方面存在差异。

现有技术采用对三通结构的主管和支管联接处进行补强的方法，降低三通结构联接处的应力集中，补强方式参见《压力容器的应力分析与强度设计》的146页、《压力容器的应力分析与强度设计》的154页和《钢制压力容器设计制造和检验》的249页。但该方法对三通结构的补强设计，存在增补部分的几何形状比较简单的缺陷。造成此种缺陷的原因，一方面，与早期手工设计工具相适应，另一方面，所作的补强形状并不是完全根据三通结构强度的需要进行设计，即需要更多加强的部位没有充分加强，不需要加强的部位反而得到过多的加强，致使补强效果有限。

专利《一种三通的形状优化设计方法》(专利号ZL 02139433.4，授权公告号CN1217124，授权公告日2005.8.31)公开了一种基于结点位移的三通形状的优化设计方法，有效地降低了三通的应力水平，但采用该方法设计得到的三通主管和支管的端面形状不是圆形，不能直接与管道连接，必须通过一过渡接管，才能接入管道系统。而三通在正常使用过程中不需要过渡接管，因此，该方法具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种三通的形状优化设计方法，根据该设计方法得到的三通主管和支管的端面形状均为圆形，不需要过渡接管，可直接与管道连接。

本发明所采用的技术方案是，一种三通的形状优化设计方法，根据有限元计算获得的应力结果，对三通结构的表面形状做出修正，该方法按以下步骤进行：

步骤1：建立有限元分析模型

建立有限元分析模型，与之对应的结构静力分析的数学表达式为

KX＝F            (1)

式中，K表示结构的刚度矩阵，X为节点位移向量，F为载荷向量；

步骤2：计算应变向量

以节点位移向量X为未知量，解步骤1的数学表达式，得到有限元分析模型中的节点位移向量X，然后由几何方程

ε＝ε(X)    (2)

求得应变向量ε；

步骤3：计算应力向量

根据步骤2求得的应变向量ε，利用虎克定律：

σ＝Dε    (3)

得到应力向量σ，

式中，D为弹性矩阵；

步骤4：确定当前结点的总修正量

给定期望的最高应力σ_max和应力阈值σ₀，根据下式