一种基于遗传算法的SiC包壳多目标优化设计方法

本发明属于sic包壳结构优化设计，具体涉及一种基于遗传算法的sic包壳多目标优化设计方法。

背景技术：

1、作为核裂变和核聚变系统的结构材料，sic包壳近年来被广泛研究。sic包壳由连续的sic纤维预制体和sic基体组成，具有优异的抗氧化和抗中子辐照性能，以及出色的耐高温性能。在核反应堆内热-力多重环境载荷作用下，sic包壳的温度、应力、变形等关键参数将显著变化，直接关系燃料包壳服役的安全性。目前对sic包壳结构的优化设计大多使用简单的参数化分析对比结果，此类方法无法同时考虑多个结构参数或因素对sic包壳性能的综合影响。因此，考虑到反应堆内运行环境的复杂性及sic包壳的结构特殊性，有必要通过基于遗传算法的多目标优化手段，整合相互竞争或相互冲突的关键目标函数，提取结构设计中的关键因素和特征，借助科学方法形成准确、高效的定量优化技术，实现sic包壳结构设计的优化分析。

2、近年来，国内外研究者选用实验或数值模拟方法对不同结构或尺寸的sic包壳的开展了性能分析研究，并在此基础上开展了初步的结构设计。

3、如文献《g.singh,k.terrani,y.katoh.thermo-mechanical assessment of fullsic/sic composite cladding for lwr applications with sensitivity analysis,journal of nuclear materials,2018.》中，作者建立了sic包壳的三维热力学分析模型，并进行了多组简化边界条件的分析。通过数值方法求解，预测了sic包壳在正常工作条件下的应力分布和变化，并根据所获得的结果，推荐了sic包壳的结构设计。但不足之处在于，该工作未建立带有纤维预制体和基体的几何模型，而是将sic包壳简化为均匀化的整体模型。这种设计方法过于粗糙，不能准确地预测出sic包壳的性能，特别是纤维预制体附近局部区域的应力集中。

4、又如文献《c.lorrette,c.sauder,l.chaffron,et al.materials innovationfor nuclear optimized systems，epj web of conferences，2013》中，作者制备出了编制角度为30°和45°的纤维预制体sic包壳实验件，并开展了一系列力学测试。但实验方法只能制备出特定角度的sic包壳实验件，且制备周期长、花费大，结构设计效率较低。

5、又如文献《刘仕超，庞华，周毅，等.sic复合包壳热冲击行为分析，核动力工程，2022》中，作者构建了多层sic包壳的数值模型，并研究了热冲击下的力学响应。但该研究只简单探讨了典型尺寸下sic包壳的热力性能，并未针对不同几何尺寸或结构开展计算，实际未能实现sic包壳的结构设计。

6、综上所述，当前对sic包壳结构的优化设计大多使用简单的参数化分析对比结果，此类方法大多每次只能考虑单一因素对sic包壳结构、性能的影响，无法同时考虑多个结构参数或因素对sic包壳性能的综合影响。因此，为了提高sic包壳结构的可靠性和设计精度，开发一种优化设计方法十分必要。只有通过可靠的多目标优化方法，才能够厘清相互竞争或相互冲突的关键目标函数间的定量关系，提取结构设计中的关键因素。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于遗传算法的sic包壳多目标优化设计方法，该方法通过参数化建模、物理场求解和遗传算法的应用实现用于核反应堆或核动力系统中的sic包壳多目标结构优化设计。该方法适用于核反应堆或动力系统中所有涉及到的由纤维预制体和基体构成的sic包壳构件。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于遗传算法的sic包壳多目标优化设计方法，该方法适用于核反应堆或动力系统中所有涉及到的由纤维预制体和基体构成的sic包壳构件；通过参数化建模、物理场求解和遗传算法的应用，该方法能够实现用于核反应堆或核动力系统中的sic包壳多目标结构优化设计，步骤如下：

4、步骤1：完成sic包壳的参数化几何建模，包括在对应坐标系下的纤维预制体和基体的几何结构和尺寸；

5、步骤1.1：根据sic包壳结构，设置纤维预制体的根数和角度、设置包壳管厚度；

6、步骤1.2：分别构建sic包壳中纤维预制体和基体的几何；

7、步骤1.3：为纤维预制体构建局部基矢坐标张量，为基体构建柱坐标系；局部基矢坐标张量和标准直角坐标系的对应关系如下：

8、x1＝{-sin(arctan2(y,x)) cos(arctan2(y,x)) 0} (1)

9、x2＝{0 0 1} (2)

10、x3＝{cos(arctan2(y,x)) sin(arctan2(y,x)) 0} (3)

11、式中：

12、x——标准直角坐标系中的x方向坐标

13、y——标准直角坐标系中的y方向坐标

14、

15、柱坐标系和标准直角坐标系的对应关系如下：

16、

17、

18、h＝z (6)

19、式中：

20、r——柱坐标系中的半径方向坐标

21、x——标准直角坐标系中的x方向坐标

22、y——标准直角坐标系中的y方向坐标

23、z——标准直角坐标系中的z方向坐标

24、——柱坐标系中的角度方向坐标

25、h——柱坐标系中的高度方向坐标

26、步骤1.4：利用扩散方程求解局部基矢坐标张量中的位置坐标变量，扩散方程为：

27、

28、

29、式中：

30、u——位置坐标

31、v——扩散速度

32、方程(7)及方程(8)中对应的入口边界条件为：

33、u＝u0 (9)

34、方程(7)及方程(8)中对应的出口边界条件为：

35、u＝0 (10)

36、式中：

37、u0——入口边界处的位置坐标

38、步骤1.5：在局部基矢坐标张量上赋予纤维预制体各向异性的材料属性，在柱坐标系上赋予基体材料属性；

39、步骤2：考虑sic包壳在反应堆内的服役环境，开展物理场求解：在步骤1所建立的几何模型基础上，设置固体力学、固体传热的耦合物理场，分别分析sic包壳的力学行为和传热行为；将固体力学物理场和固体传热物理场合并，构建完整的物理方程，将固体力学物理场和固体传热物理场中的方程置于同一个矩阵中求解，以还原sic包壳在反应堆内的真实物理过程；

40、步骤2.1：设置固体力学、固体传热的耦合物理场；固体力学物理场的方程为：

41、

42、式中：

43、σ——柯西应力张量

44、fv——体积力

45、固体传热物理场的方程为：

46、

47、式中：

48、ρ——sic包壳的密度/kg·m-3

49、cp——sic包壳的定压比热容/j·kg-1·k-1

50、k——sic包壳的导热系数/w·m-1·k-1

51、t——温度/k-1

52、t——时间/s

53、q——sic包壳热源/w·m-3

54、步骤2.2：将方程(11)-(12)合并，构建完整的物理方程，将方程(11)-(12)置于同一个矩阵中并行求解；设置用于求解上述完整物理方程的并行求解器，设置作业总个数；

55、步骤2.3：设置批处理命令，根据步骤2.2中所设置的并行求解器和作业总个数，分配单次批处理运行的并行作业数和批处理总次数，求解物理场，以还原sic包壳在反应堆内的真实物理过程；

56、步骤3：引入遗传算法，设置遗传算法中的关键变量：导入步骤2中所得到的物理场求解结果，通过遗传算法完成迭代，完成sic包壳结构的多目标优化设计；

57、步骤3.1：引入遗传算法，设置遗传算法中的自变量、目标函数、种群个数和迭代轮数；

58、步骤3.2：导入步骤2.3中获得的物理场求解结果，通过遗传算法完成迭代；

59、步骤3.3：输出迭代后数据，进行数据处理完成sic包壳结构的多目标优化设计。

60、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

61、1)本发明sic包壳多目标优化设计方法，能够实现sic包壳不同结构或几何尺寸的科学优化。通过引入遗传算法，定量地给出sic包壳在几何结构、传热、力学等多种影响因素下的最优设计方案。能够有效解决传统实验方法或模拟方法中的优化手段落后、优化周期长的问题，极大地提高计算效率，同时能够保证计算结果的精确性。

62、2)本发明方法通过参数化建模和不同坐标系的建立构建精细的sic包壳几何模型，所涉及的建模策略和方法能够推广到核反应堆或动力系统中所有涉及到的由纤维预制体和基体构成的sic包壳构件，通用性较广。

63、3)本发明方法适用于核反应堆或动力系统中所有涉及到的由纤维预制体和基体构成的sic包壳构件。