搜索基于有限元法的礦用隔爆型圓筒形外殼設計
2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
采用彈塑性力學理論對外殼進行初始化設計,運用SolidWorks軟件將得到的設計參數對圓筒形外殼造型,并利用COSMOSworks有限元分析軟件對殼體和殼蓋進行靜載工況的應力分析,根據分析結果調整設計,計算實體應力,并驗證其結果能否達到強度、剮度要求。
作者: 鞏利萍*宋志安*王俞*劉澤勇 來源: 萬方數據
關鍵字: 彈塑性力學 圓筒形殼體 有限元分析 靜載 應力分析
0引言
礦用隔爆型電氣設備用于煤礦井下,其隔爆性能是通過隔爆外殼來實現的。隔爆外殼要承受1MPa試驗壓力,因此。必須具有足夠的強度和剛性.就使得科學合理的設計該類外殼在煤礦的安全生產中是至關重要的。
隔爆外殼必須具備如下基本特性:
(1)隔爆性,即殼內發生爆炸時,隔爆外殼應能有效地阻止內部的爆炸壓力向外殼周圍爆炸性混合物傳播;
(2)熱傳導性,即應保證正常運行和殼內發生爆炸時,外殼的表面溫度低于周圍介質的引燃溫度;
(3)耐爆性,要求外殼有足夠的強度和剛度來承受內腔的爆炸壓力,而不發生明顯的變形或破裂。
以往大多采用經驗或類比法進行設計,不能準確計算出各部分的受力情況,在設計時為安全起見,往往加大安全系數。這使得殼體結構笨重.并且具有很大的盲目性,浪費材料,增加了生產成本。
圓筒形隔爆外殼較方形結構具有受力均勻、結構簡單、殼體內結構緊湊等優點,現今小型隔爆型電氣設備大多采用這種圓筒形結構。
本文利用彈塑性力學理論對外殼進行初步設計,得出外殼的殼體壁厚、法蘭厚度等初始參數。再利用Solidworks軟件進行三維建模,然后在COSMOSworks軟件中進行有限元分析,根據分析結果對殼體進行改進,收到了滿意的效果。
1圓筒形隔爆外殼的強度、剛度設計
根據爆炸性氣體環境用電氣設備國家標準(GB 3836.2-2000),含有瓦斯的爆炸性氣體混合物爆炸時的最大壓力,一般在0.8 MPa左右。爆炸外殼失效主要是強度不足和剛度不足造成的。
1.1強度設計
圓筒形隔爆外殼由圓筒形殼壁、殼底、法蘭和殼蓋組成。如圖l所示。
1.1.1圓筒形殼壁的強度設計
隔爆外殼的圓筒形壁厚一般取t=3~6 mm,內徑D1=200~700 mm,工業中薄壁容器規定t/D=0.05,因此,圓筒形殼壁屬薄壁容器范疇。根據彈性力學薄壁圓筒理論可知,
在薄壁圓筒結構中。在相對于P1、P2的第三個方向上作用于內壁的內壓力q和外壁上的大氣壓力都遠小于P1、P2(可以認為是零)。主應力為p1、P2、P3,且PI>p2>p3,根據第四強度理論的強度條件,有
把平均直徑代入式D=Da+t(3)得薄壁圓筒的壁厚理論值
考慮到外殼在實際加工過程中焊縫對強度的削弱,鋼板負公差、圓筒在卷圓過程中工藝減薄量和腐蝕等因素對強度的影響,薄壁圓殼的實際壁厚為
1.1.2殼底和殼蓋的強度設計
球形殼底在圓筒形防爆外殼上應用較廣.它由球冠沖壓鋼板成型,而后與簡體焊接。所受的力如圖1所示。據薄壁球殼理論可知,球殼的徑向應力和切向應力為
同理,考慮加工過程中諸因素對殼底強度的影響。另外,由于殼底和法蘭兩者厚度相差較大,如果其連接斷面發生階梯性突變,將產生應力集中。也將影響殼底的強度,所以,球形端蓋(殼底)的實際壁厚為
1.2圓筒形隔爆外殼的法蘭剛度設計
薄壁圓筒法蘭和殼底法蘭之間形成隔爆焊接結合面,當圓筒殼內的可燃性氣體爆炸時,產生高溫、高壓氣體,可能通過隔爆結合面泄出。因此,薄壁圓筒和殼底的法蘭一樣承受爆炸壓力q。但是,由于法蘭比較狹窄,GB 3836.-2000中對隔爆接合面間隙有嚴格的數值要求,法蘭必須有足夠的剛性.不能產生較大的彈性變形和永久變形。另外,由于卡緊的需要,對法蘭還有止口或者螺孔深度等工藝上的要求。因此,法蘭厚度比殼壁厚得多,故其強度沒有必要進行校核,但其剛度必須核算。
由圖1.法蘭內圓周和筒體(或殼底)焊接,外圓周是自由狀態,因此,可將法蘭簡化為內圓周固定、外圓周自由、受均布壓力的圓環,如圖2所示。由彈性力學理論可知,當r=a,自由邊撓度最大。即
設計法蘭時,除了考慮法蘭厚度附加量C外,還需考慮實際使用過程中法蘭隔爆面會遭受一定的機械損傷,如劃痕和凹坑等,需進行修復后才能使用。因此,設計時法蘭厚度還要留一定的維修余量,故法蘭的實際厚度為
2 QBZM--80/660N啟動器設計;
下面以QBZM一80/660N礦用隔爆型真空可逆電磁啟動器外殼為例說明設計過程與步驟。該啟動器用于含有甲烷爆炸氣體以及煤塵的礦井中。外形為圓筒形,分為控制腔(大腔)和接線腔(小腔)兩部分,小腔體積比大腔小得多,兩者設計時可采用相同的壁厚,大腔的強度、剛度可滿足條件時,小腔也可以。
3殼體三維模型建立及有限元分析
3.1殼體三維模型的建立及簡化
礦用隔爆型真空電磁啟動器大多采用圓筒形隔爆外殼。外殼的控制腔為圓筒形,接線腔為長方體,置于主腔上部,上部由中隔板將接線腔隔為兩部分?？刂魄簧w使用圓盤轉動式開啟裝置。圖3為QBZM一80/(560N礦用隔爆型真空可逆電磁啟動器外型圖。
根據以上計算得到了QBZM-80/660N的殼體的一系列尺寸,殼體壁厚5mm,殼底壁厚5mm,殼體法蘭厚13 mm,殼蓋法蘭厚12mm。現利用三維設計軟件SolidWorks對殼體和殼蓋進行建模。
進行有限元分析時,必須對實際的結構模型進行適當的簡化。該模型的建立是為有限元分析做準備,因此忽略對分析結果影響很小的壓入裝置、閉鎖機構等結構,以及焊縫和焊接殘余應力的影響,以簡化分析過程,突出強度和剛度的重要性。
簡化后殼體三維模型如圖4所示。根據爆炸性氣體環境用電氣設備國家標準(GB 3836.2-2000)規定,對于隔爆型外殼需要進行外殼耐壓試驗。現用COSMOSwodcs軟件來模擬外殼耐壓試驗過程,驗證理論計算的正確性,同時為外殼改進提供理論依據。
3.2預處理
GB 3836規定。I類殼體的試驗壓力為l MPa水壓。由于殼體在進行水壓試驗時是逐步緩慢加載至最大,并保持以30 s上.所以分析類型確定為靜力分析。在進行試驗時,殼體和殼蓋的試驗分別進行,固定法蘭的隔爆面,然后向實體內部加l MPa水壓,觀察殼體和蓋產生的變形。在有限元分析時,固定殼體和蓋的法蘭面。載荷是向簡體、殼底和殼蓋的內壁加載垂直于內壁的l MPa的壓力。外殼自重以及水本身產生的壓力相對于試驗壓力來說很小,對其應力和變形影響也很小。可以忽略不計,僅視為對外殼和殼蓋內側表面施加壓力。
接著進行網格劃分。單元類型的選擇取決于結構的幾何形狀以及所要求的精度,由于圓筒形的殼體受力比較均勻,故采用系統默認的網格設定參數。
3.3后處理
將有限元分析的初始化設置完成后,運行計算,得到分析結果。COSMOSworks在管理器里生成應力圖解,如圖5所示。
由圖5可以看出,殼體最薄弱的部位是在殼體與接線腔交界處,應力為91.4 MPa。而其他部位應力都較低,應力數值主要介于1.94×1000Pa與4.937x 10000000Pa之間。殼蓋產生的最大應力為17.58Mpa,都遠遠低于材料的許用應力2.0 x 10000000 Pa。
可以看出壁厚5 mm的殼體和殼蓋,雖然能滿足強度的需要,但卻有較多的強度儲備,造成材料的浪費。
4結構的改進
通過上面的有限元分析,外殼和殼蓋各部位的應力都已清楚地表示。在此基礎上進行結構的改進。首先降低外殼整體的應力儲備,再對改后的殼體和殼蓋進行有限元分析,將求得的結果與改前的結果進行比較。由于5姍的板厚儲存的強度較多,將板厚改為4 mm,進行整體的減重。通過圖6、圖7可以看出,將壁厚改為4mm后,殼體整體產生的應力分布在2.152×1000Pa~1.072X 100000000 Pa,殼蓋的應力分布為7.49X 1000Pa-2.379X 10000000 Pa。較之5mm壁厚的結構,應力儲備明顯降低。外殼的重量分別有了明顯的降低,殼體減少了10.26%,殼蓋減少了13.04%。殼體改進前后的結果見表l和表2。
5結束語
本文所研究的QBZM-80/660N礦用隔爆型真空可逆電磁啟動器是某公司新開發的設備。外殼在設計過程中,首次使用彈塑性力學理論與有限元分析相結合的方法,將外殼的強度、剛度設計建立在受力分析的基礎上,同時考慮了加工過程中諸因素對外殼強度、剛度的影響,得出了該類外殼的設計計算公式。
初步設計的產品運用三維建模之后,再利用有限元分析,對外殼進行改進,使產品最后成型。設計出來的產品通過外殼耐壓試驗和隔爆試驗,以及最后用于實際生產中,都驗證其完全滿足強度等要求,取得了很好的效果。
可見首先將彈塑性力學運用到外殼的設計,再利用有限元法進行驗證,可以有效的改進結構,降低了外殼的重量,從而達到了降低企業成本,節省資源的目的?？蔀樵O計該類產品開發提供借鑒。
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