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高温堆燃料贮罐结构-性能-成本一体化多目标优化设计

郝予琛 李悦 王金华 龚梦航 吴彬 王海涛 马涛 刘兵

郝予琛, 李悦, 王金华, 龚梦航, 吴彬, 王海涛, 马涛, 刘兵. 高温堆燃料贮罐结构-性能-成本一体化多目标优化设计[J]. 核动力工程, 2023, 44(2): 145-151. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0145
引用本文: 郝予琛, 李悦, 王金华, 龚梦航, 吴彬, 王海涛, 马涛, 刘兵. 高温堆燃料贮罐结构-性能-成本一体化多目标优化设计[J]. 核动力工程, 2023, 44(2): 145-151. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0145
Hao Yuchen, Li Yue, Wang Jinhua, Gong Menghang, Wu Bin, Wang Haitao, Ma Tao, Liu Bing. Structure-Performance-Cost Integration Multi-Objective Optimization Design for HTR Fuel Storage Canister[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(2): 145-151. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0145
Citation: Hao Yuchen, Li Yue, Wang Jinhua, Gong Menghang, Wu Bin, Wang Haitao, Ma Tao, Liu Bing. Structure-Performance-Cost Integration Multi-Objective Optimization Design for HTR Fuel Storage Canister[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(2): 145-151. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0145

高温堆燃料贮罐结构-性能-成本一体化多目标优化设计

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0145
基金项目: 国家重大科技专项(ZX069);多模块高温堆超临界发电技术研究项目(ZHJTJZYFGWD2020)
详细信息
    作者简介:

    郝予琛(1996—),男,博士研究生,现主要从事核燃料运输技术、多目标优化设计与多准则决策研究,E-mail: haoyc18@mails.tsinghua.edu.cn

    通讯作者:

    王金华,E-mail: wangjinhua@tsinghua.edu.cn

  • 中图分类号: TL933

Structure-Performance-Cost Integration Multi-Objective Optimization Design for HTR Fuel Storage Canister

  • 摘要: 燃料贮罐是高温堆新燃料供应系统关键设备。为探索最佳设计方案,提出燃料贮罐结构-性能-成本一体化多目标优化设计方法:选取燃料贮罐结构板厚作为设计变量,采用拉丁超立方采样(LHS)生成均匀采样点,通过数值计算获取跌落响应,通过混合径向基函数神经网络(RBFNN)-前馈神经网络(FFNN)构造代理模型;以最大塑性变形最小、成本最低、质量最小作为优化设计目标,同时约束球床作用下的径向位移膨胀,利用强度Pareto进化算法(SPEA-Ⅱ)求解优化问题。结果表明:燃料贮罐安全性明显提高,最大塑性变形可降低20.17%;经济性与轻量化效果较好,单罐成本可降低2128元,质量可降低12.54%。本文一体化优化方法能够为燃料贮罐设计提供参考。

     

  • 图  1  燃料贮罐

    Figure  1.  Fuel Storage Canister

    图  2  燃料贮罐数值计算模型

    Figure  2.  Numerical Calculation Model of Fuel Storage Canister      

    图  3  多目标优化设计流程

    RBFNN—径向基函数神经网络;FFNN—前馈神经网络;SPEA-Ⅱ—强度Pareto进化算法

    Figure  3.  Flow Chart of the Multi-objective Optimization

    图  4  试验设计变量与成本响应

    Figure  4.  Test Design Variables and Cost Response

    图  5  非线性塑性变形响应代理模型与数值计算模型结果对比      

    Figure  5.  Result Comparison Between Surrogate Model and Numerical Calculation Model of Nonlinear Plastic Deformation Response

    图  6  Pareto前沿集合分布

    Figure  6.  Pareto Frontier Set Distribution

    表  1  不锈钢材料成本价格

    Table  1.   Material Cost of Stainless Steel

    厚度/mm2345
    每吨成本/万元1.721.891.721.75
    下载: 导出CSV

    表  2  设计变量取值

    Table  2.   Values of Design Variables

    设计变量初始值下限值上限值
    $ {t}_{1} $/mm325
    $ {t}_{2} $/mm425
    $ {t}_{3} $/mm325
    $ {t}_{4} $/mm525
    下载: 导出CSV

    表  3  优化设计与最初设计对比

    Table  3.   Comparison between Optimized Design and Initial Design

    响应最初设计值优化设计值变化量
    总成本/元7564+X5436+X2128/(7564+X)
    质量/kg56649512.54%
    最大塑性变形/%23.7218.9320.17%
    径向位移膨胀/mm32.534.9−7.38%
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-26
  • 修回日期:  2023-02-12
  • 刊出日期:  2023-04-15

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