脉动真空灭菌器的力学性能分析及优化设计研究

摘要

脉动真空灭菌器属于压力容器范畴，被广泛应用于医疗、制药、生物制品、实验动物和食品等行业。作为容易发生爆炸的特种设备，必须受国家特种设备监察部门的监督。北京市特殊设备检测所在定期检测中发现内腔出现裂纹。考虑到灭菌过程中的工作压力、温度和环境等因素，其破坏失效是一个高度非线性过程。 本文采用数值模拟技术与结构优化方法，对脉动真空灭菌器作了较为系统的研究，主要研究内容如下： (1)以有限元软件为平台，建立有限元分析模型，重点在内腔开裂原因分析和结构参数上进行了大量数值模拟计算，并结合实体试验，找出了环境腐蚀为诱因，疲劳是在产生微小裂纹后起到加剧破坏的作用。 (2)研究容器焊接结构的造价(包括板材用料、加工成形、装配、焊接和喷漆等)问题。以容器厚度和加强筋个数为设计变量；约束条件为满足设计的强度要求，运用响应面方法将其显式化；建立造价最经济结构优化模型。优化模型中含有离散/连续混合变量，求解难度较大。本文采用分层优化策略，内循环为高阶缩并近似处理连续变量函数，序列二次规划求解优化模型，外循环为斐波纳契数列处理加强筋个数优化，程序运行稳定，求解效率高。 (3)响应面方法建模是基于样本点的结构有限元分析基础上的函数显式化，考虑到拟合显式函数的样本点彼此之间是相互独立的，本文基于Windows平台，搭建主从式的并行环境，编写并行算法，实现结构优化的并行化。 (4)在专业化软件设计方面，利用MSC.Nastran、Fortran与Visual C++程序联合使用，实现了全自动优化过程，提高了优化效率，编写了友好的用户界面，便于结构参数的输入，增强了软件的适用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1脉动真空灭菌器的研究背景及意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1应力分析

1.2.2疲劳问题研究

1.2.3应力腐蚀

1.2.4容器结构优化设计

1.3结构优化概述

1.4研究面临的困难

1.5课题研究内容

第2章脉动真空灭菌器数值建模与分析

2.1引言

2.2裂纹原因分析

2.2.1典型灭菌器结构

2.2.2工作原理

2.2.3影响裂纹产生的因素

2.3脉动真空灭菌器分析模型的建立

2.3.1实体模型

2.3.2有限元模型的分析

2.3.3分析工况的确定

2.3.4有限元模型的建立

2.4内压作用下的应力分析

2.5实体试验研究

2.5.1试验贴片方案

2.5.2试验结果数据

2.5.3数值结果分析与实测对比

2.6疲劳分析

2.6.1背景及理论基础

2.6.2考虑残余应力的数值模拟

2.6.3疲劳分析

2.7应力腐蚀

2.8小结

第3章参数结构优化

3.1引言

3.2数值方法

3.2.1响应面方法

3.2.2广义几何规划

3.2.3斐波纳契数列

3.2.4 K-S函数

3.2.5序列二次规划方法

3.3脉动真空灭菌器的参数结构优化

3.3.1目标函数

3.3.2设计变量

3.3.3约束条件

3.3.4优化模型的建立与求解

3.3.5优化结果与分析

3.4小结

第4章结构优化的并行化设计

4.1引言

4.2并行实现的可行性分析

4.3并行算法的实现

4.3.1并行环境的介绍

4.3.2并行算法的设计与实现

4.3.3并行实现原理

4.4并行运行结果分析

4.5小结

第5章结构优化软件

5.1引言

5.2总体设计

5.2.1程序数据结构介绍

5.2.2程序文件及函数介绍

5.3用户界面及程序流程

5.3.1程序界面简介

5.3.2程序流程

5.4小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢