[发明专利]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

权利要求书

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：[x₁₀,x₂₀,x₃₀,x₄₀,x₅₀]、[x₁₁,x₂₁,x₃₁,x₄₁,x₅₁]……，得到第一代种群并计算适应度：[y₁₀,y₂₀,y₃₀]、[y₁₁,y₂₁,y₃₁]……；然后模拟遗传学中的生物进化过程，通过选择、交叉和变异得到第二代种群：[x₁₂,x₂₂,x₃₂,x₄₂,x₅₂]、[x₁₃,x₂₃,x₃₃,x₄₃,x₅₃]……，并计算第二代适应度：[y₁₂,y₂₂,y₃₂]、[y₁₃,y₂₃,y₃₃]……；如此循环迭代，直至初始的群体个数达到规定的规模，最后输出最优解即最优阀瓣结构；

第五步，验证优化精度，对比优化前后的阀瓣结构

通过上一步的寻优得到最优的阀瓣模型，根据第一步确定的仿真方法，对优化后的阀瓣三维模型进行有限元仿真分析，提取计算结果：密封面的接触宽度y₁和密封面的平均接触压力y₂，通过公式y＝y₁*(y₂)^1.2,计算得到目标函数y值，对比通过代理模型计算得到的y的预测值，计算两者的误差，验证此优化方法的精度。