[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

说明书

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％。

技术领域

本发明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

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。

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。

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。故本发明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。

发明内容

本发明要解决的技术问题：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。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

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。

该优化设计方法具体步骤如下：

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。

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。

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。