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(shù)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(jù)分析結(jié)果調(diào)整設計,計算實體應力,并驗證其結(jié)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(shù)據(jù)
關(guān)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(xiàn)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(chǎn)中是至關(guān)重要的。
  
隔爆外殼必須具備如下基本特性:
  
(1)隔爆性,即殼內(nèi)發(fā)生爆炸時,隔爆外殼應能有效地阻止內(nèi)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(nèi)發(fā)生爆炸時,外殼的表面溫度低于周圍介質(zhì)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(nèi)腔的爆炸壓力,而不發(fā)生明顯的變形或破裂。
  
以往大多采用經(jīng)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(shù)。這使得殼體結(jié)構(gòu)笨重.并且具有很大的盲目性,浪費材料,增加了生產(chǎn)成本。
  
圓筒形隔爆外殼較方形結(jié)構(gòu)具有受力均勻、結(jié)構(gòu)簡單、殼體內(nèi)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點,現(xiàn)今小型隔爆型電氣設備大多采用這種圓筒形結(jié)構(gòu)。
  
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(shù)。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(jù)分析結(jié)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(jù)爆炸性氣體環(huán)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(nèi)徑D1=200~700 mm,工業(yè)中薄壁容器規(guī)定t/D=0.05,因此,圓筒形殼壁屬薄壁容器范疇。根據(jù)彈性力學薄壁圓筒理論可知,
  

在薄壁圓筒結(jié)構(gòu)中。在相對于P1、P2的第三個方向上作用于內(nèi)壁的內(nèi)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(jù)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(jù)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(fā)生階梯性突變,將產(chǎn)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(jié)合面,當圓筒殼內(nèi)的可燃性氣體爆炸時,產(chǎn)生高溫、高壓氣體,可能通過隔爆結(jié)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(shù)值要求,法蘭必須有足夠的剛性.不能產(chǎn)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(nèi)圓周和筒體(或殼底)焊接,外圓周是自由狀態(tài),因此,可將法蘭簡化為內(nèi)圓周固定、外圓周自由、受均布壓力的圓環(huán),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。控制腔蓋使用圓盤轉(zhuǎn)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(jù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)模型進行適當?shù)暮喕?。該模型的建立是為有限元分析做準?因此忽略對分析結(jié)果影響很小的壓入裝置、閉鎖機構(gòu)等結(jié)構(gòu),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(jù)爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備國家標準(GB 3836.2-2000)規(guī)定,對于隔爆型外殼需要進行外殼耐壓試驗?，F(xiàn)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(jù)。
  

3.2預處理
  
GB 3836規(guī)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?qū)嶓w內(nèi)部加l MPa水壓,觀察殼體和蓋產(chǎn)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(nèi)壁加載垂直于內(nèi)壁的l MPa的壓力。外殼自重以及水本身產(chǎn)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?？梢院雎圆挥?僅視為對外殼和殼蓋內(nèi)側(cè)表面施加壓力。
  
接著進行網(wǎng)格劃分。單元類型的選擇取決于結(jié)構(gòu)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(tǒng)默認的網(wǎng)格設定參數(shù)。
  
   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(jié)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(shù)值主要介于1.94×1000Pa與4.937x 10000000Pa之間。殼蓋產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果與改前的結(jié)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(chǎn)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(jié)構(gòu),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(jié)果見表l和表2。
  

   5結(jié)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(fā)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)品最后成型。設計出來的產(chǎn)品通過外殼耐壓試驗和隔爆試驗,以及最后用于實際生產(chǎn)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(jié)構(gòu),降低了外殼的重量,從而達到了降低企業(yè)成本,節(jié)省資源的目的?？蔀樵O計該類產(chǎn)品開發(fā)提供借鑒。

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