基于PSO的油罐车金属罐体展开放样优化规划方法

李津



基于PSO的油罐车金属罐体展开放样优化规划方法

李津

（东莞永强汽车制造有限公司）

针对油罐车金属罐体放样设计过程中存在的规划不合理而导致的材料浪费等问题，提出一种基于粒子群优化算法的油罐车金属罐体展开放样优化规划方法。首先，按照GB18564.1-2006规定的金属罐体技术要求建立金属罐体展开放样数学模型；然后，利用粒子群优化算法，以材料利用率、焊缝最少、板材组合等为目标，实现展开放样优化规划；最后，以焊缝最少、板材组合、按照板材规格设计3个应用场景，对展开放样优化规划方法进行试验。试验结果表明：该方法可使油罐车材料合理使用，成本节约显著。

金属罐体；展开放样；优化规划；粒子群优化算法

0 引言

油罐车作为易燃易爆石油燃料运输的特种装备，其金属罐体的可靠性直接影响石油燃料运输、储存、使用过程的安全性[1]。受原材料规格及生产工艺限制，超大尺寸金属常压罐通常采用多块材料拼接形成[2]，其中金属常压罐展开放样是影响超大尺寸金属常压罐性能的关键技术[3]。展开放样过程必须同时满足功能和法规要求，满足产品可靠性、安全性要求[4-6]。传统金属常压罐放样方法容易因为规划不合理而造成材料浪费，本文提出油罐车金属常压罐展开放样优化方法，以GB18564.1-2006中规定的金属常压罐体技术要求为优化目标，以设备加工能力和工艺成型能力为边界条件，并利用粒子群优化算法（particle swarm optimization，PSO）进行求解，实现了展开放样的优化规划。

1 金属罐体展开放样规划数学模型

国家强制标准GB18564.1-2006《道路运输液体危险货物罐式车辆第1部分：金属常压罐体技术要求》中规定[7]：1) 筒节长度L不小于300 mm；同一筒节上两纵向焊缝之间距离d不小于200 mm；焊缝距封头中心线距离d小于封头内径D的1/4；中间板宽度d不小于200 mm；拼板数量n应不多于3块，封头拼接焊缝布置如图1所示；2) 组装时，相邻筒节纵向焊缝中心线间外圆弧长L、封头拼接焊缝中心线与相邻筒节纵向焊缝中心线间外圆弧长L均应大于等于钢材厚度s的3倍，且不小于100 mm与；3) 筒体纵向焊缝角度位置不应设在罐体横截面中心与最低点连接半径的左右两侧各20°范围内，如图2所示。

图1　封头拼接焊缝布置图

图2　筒体纵向焊缝不应布置区域

若筒节长度阈值为LMIN、纵向焊缝距离阈值为dMIN、中间板宽度阈值为dMIN、拼板数量上限为nMAX、弧长阈值为MAX、焊缝角度阈值为，则根据规定条件，金属常压罐体数学模型为

(2)

(3)

(5)

设备加工能力和工艺成型条件的限制，会影响焊缝距封头中心线距离、筒节长度等参数的上限值。设筒节长度上限值为LMAX、纵向焊缝距离上限值为dMAX，则由式⑴可得

式(2)~式(6)为金属罐体展开放样规划数学模型。

2 基于PSO的展开放样多目标优化方法

设目标优化问题()的解为维向量，随机散布个光滑因子(=1,2,3,…,)，以适应度为标准，多次迭代寻找最优解[8]

令惯性因子，在第次迭代中，的第维速度向量分量、位置、历史最优位置，全局历史最优位置为；若令粒子、全局学习因子分别为1、2，粒子、全局学习率分别为1、2，则PSO的第次迭代为[9-10]

(7)

式(2)~式(7)为基于PSO的油罐车金属罐体展开放样优化规划方法。

3 试验与结果分析

3.1 基于焊缝最少原则试验

在焊缝准许的前提下，板材数量越少越好，尽量多用整板，少用小板。若为罐体截面中性层展开的周长，当5400 mm<<6000 mm时，可用3张2000 mm宽板；当6000 mm<<7200 mm时，可用4张1800 mm宽板；当>7200 mm时，1800 mm宽板可与2000 mm宽板搭配用，5张即可。图3、图4分别为同一产品分别使用3张板、4张板的排版效果。排版焊缝越少，罐体渗漏的风险越低，同时焊缝焊接成本也低。

图3 使用3张板的排版效果

图4 使用4张板的排版效果

3.2 基于板材组合原则试验

用前后罐体板材组合成一块整板来用，比较经济，这是一种另辟蹊径的组合技巧，可达到经济实用的目的。板材的组合利用的排版效果如图5所示，最右边第一块和最左边第五块（从上往下）组合共用一张1500 mm宽的板材，达到材料的充分利用。

图5 板材的组合利用的排版效果

3.3 基于板材规格设计罐体原则试验

根据板材的规格来设计罐体，可减少焊缝，提高材料利用率。以半挂油罐车的鹅颈放样说明：鹅颈部分长度设计过长会导致宽度方向需要用2张板对接，非常浪费材料。只有通过三维放样找出合适的鹅颈长度，才能保证用1张板就可以制作。如图6中鹅颈部分三维展开后，宽度为1420 mm，用一张1500 mm宽板来制作即可。

图6 鹅颈的三维展开效果

4 结论

本文提出金属罐体展开放样规划数学模型，并通过具体实例阐述了如何合理分块、拼接以满足功能和法规要求的同时尽可能降低成本。焊缝最少原则、板材组合原则、板材规格设计罐体原则不是单一独立采用，需综合考虑和整体衡量才可达到最理想效果。

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[5] Sun Bo, Zhang Huifang. Three dimensional design and unfolding method of sheet metal parts[J].Advanced Materials Research, 2012,532-533:208-212.

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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，主要从事油罐车的工艺展开放样工作。