预应力钢丝缠绕缸体结构轻量化关键技术

　　等静压设备多在超高温高压下工作且承载压力大(如“双两千”设备工作温度2000℃,工作内压为2×108Pa;而大于5×104t的大规格大吨位设备的工作内径一般大于2m),恶劣的工作环境要求等静压设备工作缸容器设计综合考虑安全可靠、承载能力、疲劳、爆炸危险、加工制造等多方面因素.目前,国内外制造厂家多采用预应力钢丝缠绕缸体,该结具有承载能力大[1]、疲劳强度高、安全可靠无爆炸危险等优点[2]. 20世纪70年代,清华大学颜永年教授对预应力钢丝缠绕筒体进行了诸多研究,为缠绕设计奠定了理论基础[3],并采用复形法对超高压缸体优化设计[4]做出了创新性研究.然而随着轴向承载力和工作内压的增加,保守的传统设计过于注重安全,材料未能充分利用,成本高,设备尺寸大,吨位重且结构粗笨,造成制造、安装、运输诸多不便.因此,对预应力钢丝缠绕缸体结构优化设计和轻量化设计进行深入研究具有重要的理论意义和工程应用价值.

　　遗传算法(GA, Genetic Algorithm)是一种全局搜索优化方法,具有简单通用、鲁棒性强、适合于并行处理等特点[5],已被广泛应用于求解工程优化问题.本文针对等静压设备预应力工作缸体,结合等剪应力缠绕方法[6],建立了面向质量最优的等剪应力设计结构优化模型.综合考虑了等剪应力缠绕设计的多个约束条件,采用多岛遗传算法[7](MIGA,Multi Island Genetic Algorithm)为优化策略,结合实例进行等静压设备优化设计,并用CAE仿真等方法进行验证.该算法提供了合理可靠的设计结果,有效减轻质量,并适用于大吨位、超高温超高压等静压设备的缸体优化问题.

　　1　预应力工作缸设计及其优化方法

　　1.1　等剪应力钢丝缠绕设计

　　预应力结构的基本思想是在工作缸内壁预先建立切向压应力(预应力),与工作状态产生的拉应力叠加,减小或消除缸壁上的切向拉应力,使工作缸始终处于切向压应力或压应变状态,以提高液压缸的承载能力,发挥缸壁材料的强度潜力,提高抗疲劳性能.预紧力的大小可以用内壁上切向预应力σg, t,b与工作内压引起的切向拉应力σp, t, b的绝对值比值η表示,即

　　式中η为预紧系数,它是预应力设计的一个重要参数.

　　在等张力缠绕的基础上,文献[8]提出了等切向应力法, 1975年我国科研人员提出等剪应力缠绕理论[9].目前等剪应力缠绕方法已被广泛采用.等剪应力缠绕就是使各层钢丝在合成状态下的剪切应力相等.合成状态下,任意一层均有

　　考虑从钢丝半径r到钢丝层外径ro的钢丝层的平衡(如图1),有

　　代入式(2),解得