基于PSO的油罐車金屬罐體展開放樣優(yōu)化規(guī)劃方法

李津

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基于PSO的油罐車金屬罐體展開放樣優(yōu)化規(guī)劃方法

李津

（東莞永強(qiáng)汽車制造有限公司）

針對油罐車金屬罐體放樣設(shè)計過程中存在的規(guī)劃不合理而導(dǎo)致的材料浪費等問題，提出一種基于粒子群優(yōu)化算法的油罐車金屬罐體展開放樣優(yōu)化規(guī)劃方法。首先，按照GB18564.1-2006規(guī)定的金屬罐體技術(shù)要求建立金屬罐體展開放樣數(shù)學(xué)模型；然后，利用粒子群優(yōu)化算法，以材料利用率、焊縫最少、板材組合等為目標(biāo)，實現(xiàn)展開放樣優(yōu)化規(guī)劃；最后，以焊縫最少、板材組合、按照板材規(guī)格設(shè)計3個應(yīng)用場景，對展開放樣優(yōu)化規(guī)劃方法進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果表明：該方法可使油罐車材料合理使用，成本節(jié)約顯著。

金屬罐體；展開放樣；優(yōu)化規(guī)劃；粒子群優(yōu)化算法

0 引言

油罐車作為易燃易爆石油燃料運輸?shù)奶胤N裝備，其金屬罐體的可靠性直接影響石油燃料運輸、儲存、使用過程的安全性[1]。受原材料規(guī)格及生產(chǎn)工藝限制，超大尺寸金屬常壓罐通常采用多塊材料拼接形成[2]，其中金屬常壓罐展開放樣是影響超大尺寸金屬常壓罐性能的關(guān)鍵技術(shù)[3]。展開放樣過程必須同時滿足功能和法規(guī)要求，滿足產(chǎn)品可靠性、安全性要求[4-6]。傳統(tǒng)金屬常壓罐放樣方法容易因為規(guī)劃不合理而造成材料浪費，本文提出油罐車金屬常壓罐展開放樣優(yōu)化方法，以GB18564.1-2006中規(guī)定的金屬常壓罐體技術(shù)要求為優(yōu)化目標(biāo)，以設(shè)備加工能力和工藝成型能力為邊界條件，并利用粒子群優(yōu)化算法（particle swarm optimization，PSO）進(jìn)行求解，實現(xiàn)了展開放樣的優(yōu)化規(guī)劃。

1 金屬罐體展開放樣規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB18564.1-2006《道路運輸液體危險貨物罐式車輛第1部分：金屬常壓罐體技術(shù)要求》中規(guī)定[7]：1) 筒節(jié)長度L不小于300 mm；同一筒節(jié)上兩縱向焊縫之間距離d不小于200 mm；焊縫距封頭中心線距離d小于封頭內(nèi)徑D的1/4；中間板寬度d不小于200 mm；拼板數(shù)量n應(yīng)不多于3塊，封頭拼接焊縫布置如圖1所示；2) 組裝時，相鄰?fù)补?jié)縱向焊縫中心線間外圓弧長L、封頭拼接焊縫中心線與相鄰?fù)补?jié)縱向焊縫中心線間外圓弧長L均應(yīng)大于等于鋼材厚度s的3倍，且不小于100 mm與；3) 筒體縱向焊縫角度位置不應(yīng)設(shè)在罐體橫截面中心與最低點連接半徑的左右兩側(cè)各20°范圍內(nèi)，如圖2所示。

圖1　封頭拼接焊縫布置圖

圖2　筒體縱向焊縫不應(yīng)布置區(qū)域

若筒節(jié)長度閾值為LMIN、縱向焊縫距離閾值為dMIN、中間板寬度閾值為dMIN、拼板數(shù)量上限為nMAX、弧長閾值為MAX、焊縫角度閾值為，則根據(jù)規(guī)定條件，金屬常壓罐體數(shù)學(xué)模型為

(2)

(3)

(5)

設(shè)備加工能力和工藝成型條件的限制，會影響焊縫距封頭中心線距離、筒節(jié)長度等參數(shù)的上限值。設(shè)筒節(jié)長度上限值為LMAX、縱向焊縫距離上限值為dMAX，則由式⑴可得

式(2)~式(6)為金屬罐體展開放樣規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。

2 基于PSO的展開放樣多目標(biāo)優(yōu)化方法

設(shè)目標(biāo)優(yōu)化問題()的解為維向量，隨機(jī)散布個光滑因子(=1,2,3,…,)，以適應(yīng)度為標(biāo)準(zhǔn)，多次迭代尋找最優(yōu)解[8]

令慣性因子，在第次迭代中，的第維速度向量分量、位置、歷史最優(yōu)位置，全局歷史最優(yōu)位置為；若令粒子、全局學(xué)習(xí)因子分別為1、2，粒子、全局學(xué)習(xí)率分別為1、2，則PSO的第次迭代為[9-10]

(7)

式(2)~式(7)為基于PSO的油罐車金屬罐體展開放樣優(yōu)化規(guī)劃方法。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 基于焊縫最少原則試驗

在焊縫準(zhǔn)許的前提下，板材數(shù)量越少越好，盡量多用整板，少用小板。若為罐體截面中性層展開的周長，當(dāng)5400 mm<<6000 mm時，可用3張2000 mm寬板；當(dāng)6000 mm<<7200 mm時，可用4張1800 mm寬板；當(dāng)>7200 mm時，1800 mm寬板可與2000 mm寬板搭配用，5張即可。圖3、圖4分別為同一產(chǎn)品分別使用3張板、4張板的排版效果。排版焊縫越少，罐體滲漏的風(fēng)險越低，同時焊縫焊接成本也低。

圖3 使用3張板的排版效果

圖4 使用4張板的排版效果

3.2 基于板材組合原則試驗

用前后罐體板材組合成一塊整板來用，比較經(jīng)濟(jì)，這是一種另辟蹊徑的組合技巧，可達(dá)到經(jīng)濟(jì)實用的目的。板材的組合利用的排版效果如圖5所示，最右邊第一塊和最左邊第五塊（從上往下）組合共用一張1500 mm寬的板材，達(dá)到材料的充分利用。

圖5 板材的組合利用的排版效果

3.3 基于板材規(guī)格設(shè)計罐體原則試驗

根據(jù)板材的規(guī)格來設(shè)計罐體，可減少焊縫，提高材料利用率。以半掛油罐車的鵝頸放樣說明：鵝頸部分長度設(shè)計過長會導(dǎo)致寬度方向需要用2張板對接，非常浪費材料。只有通過三維放樣找出合適的鵝頸長度，才能保證用1張板就可以制作。如圖6中鵝頸部分三維展開后，寬度為1420 mm，用一張1500 mm寬板來制作即可。

圖6 鵝頸的三維展開效果

4 結(jié)論

本文提出金屬罐體展開放樣規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并通過具體實例闡述了如何合理分塊、拼接以滿足功能和法規(guī)要求的同時盡可能降低成本。焊縫最少原則、板材組合原則、板材規(guī)格設(shè)計罐體原則不是單一獨立采用，需綜合考慮和整體衡量才可達(dá)到最理想效果。

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Optimal Planning Method for Tanker Metal Tank Loft Based on PSO

Li Jin

(Dongguan Yongqiang Vehicles Manufacturing Co., Ltd.)

Focusing on the problem that unreasonable planning in tanker metal tanker loft will lead to material-waste, a method based on particle swarm optimization (PSO) is proposed to optimize tanker metal tank loft. Firstly, according to the requirements of the technical described in GB18564.1-2006, a mathematical model of tanker metal tank loft was demonstrated. Then, based on PSO, using material utilization, minimum weld, plate combinations as the goals, the optimization planning of tanker metal tank loft was investigated. Finally, in welding at least, the combination of sheet metal, or accordance with specifications of plate three different applications,the optimization planning method of tanker metal tank loft was tested. The results show that the method proposed is remarkable in reasonable use of materials, cost savings.

Metal Tanker; Unfolding;Optimal Planning; Particle Swarm Optimization

李津，男，1975年生，本科，主要從事油罐車的工藝展開放樣工作。