(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111594187.9 (22)申请日 2021.12.24 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 宋学官　张建华　王硕　宗超勇　 李清野　刘富文　周威豪　 (74)专利代理 机构 大连理工大 学专利中心 21200 代理人 李晓亮 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/12(2006.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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％。 权利要求书2页 说明书6页 附图7页 CN 114386188 A 2022.04.22 CN 114386188 A 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：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114386188 A 2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， σs为阀瓣材料的 屈服强度， x＝[x1， ...， x5]T为设计变量， i＝1， 2，…， 5， xL、 xU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。 2.根据权利要求1所述的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， 步骤2.2)中， 优化 问题的样本点数量应超过10n， 其中n为设计变量的数 量。 3.根据权利要求1所述的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 ，步 骤 3 .1 ) 中 ，所 构 建 的 三 个 代 理 模 型 的 表 达 式 为 其中x为设计变量， 为常数β 的估计值， R‑1为相关矩阵R的 逆， r为相关向量， y为样本点的响应值， q为样本点的单位向量， n 为设计变量的数量。 4.根据权利要求1所述的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， 步骤3.2)中， 所构建的代理模型精度 评价标准决定系数R2的计算表达式 为： 其中， n为测试点的个数， 为第i个输出值的预测值， yi为第i个输 出值的仿真值， 为n个测试点的输出值的均值。 5.根据权利要求1所述的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， 步骤4.1)中， 密封接触强度W的计算公式为： W＝L*Pn； 其中L为密封面的 接触宽度， P为密封面的平均接触压力， n 为相关系数。 6.根据权利要求1所述的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， 步骤4.1)中， 密封接触强度W的计算公式为： W＝L*Pn； 其中L为密封面的 接触宽度， P为密封面的平均接触压力， n 为相关系数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114386188 A 3