基于有限元法的礦用隔爆型圓筒形外殼設(shè)計(jì)

2013-06-05  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

采用彈塑性力學(xué)理論對(duì)外殼進(jìn)行初始化設(shè)計(jì),運(yùn)用SolidWorks軟件將得到的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)圓筒形外殼造型,并利用COSMOSworks有限元分析軟件對(duì)殼體和殼蓋進(jìn)行靜載工況的應(yīng)力分析,根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì),計(jì)算實(shí)體應(yīng)力,并驗(yàn)證其結(jié)果能否達(dá)到強(qiáng)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(xué) 圓筒形殼體 有限元分析 靜載 應(yīng)力分析

0引言
  
礦用隔爆型電氣設(shè)備用于煤礦井下,其隔爆性能是通過隔爆外殼來實(shí)現(xiàn)的。隔爆外殼要承受1MPa試驗(yàn)壓力,因此。必須具有足夠的強(qiáng)度和剛性.就使得科學(xué)合理的設(shè)計(jì)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(shí),隔爆外殼應(yīng)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(dǎo)性,即應(yīng)保證正常運(yùn)行和殼內(nèi)發(fā)生爆炸時(shí),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(qiáng)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(yàn)或類比法進(jìn)行設(shè)計(jì),不能準(zhǔn)確計(jì)算出各部分的受力情況,在設(shè)計(jì)時(shí)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(fèi)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(diǎn),現(xiàn)今小型隔爆型電氣設(shè)備大多采用這種圓筒形結(jié)構(gòu)。
  
本文利用彈塑性力學(xué)理論對(duì)外殼進(jìn)行初步設(shè)計(jì),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(jìn)行三維建模,然后在COSMOSworks軟件中進(jìn)行有限元分析,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)殼體進(jìn)行改進(jìn),收到了滿意的效果。
  
   1圓筒形隔爆外殼的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)
  
根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 3836.2-2000),含有瓦斯的爆炸性氣體混合物爆炸時(shí)的最大壓力,一般在0.8 MPa左右。爆炸外殼失效主要是強(qiáng)度不足和剛度不足造成的。
  
   1.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)
  
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(qiáng)度設(shè)計(jì)
  
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(xué)薄壁圓筒理論可知,
  

在薄壁圓筒結(jié)構(gòu)中。在相對(duì)于P1、P2的第三個(gè)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(yuǎn)小于P1、P2(可以認(rèn)為是零)。主應(yīng)力為p1、P2、P3,且PI>p2>p3,根據(jù)第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)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(shí)際加工過程中焊縫對(duì)強(qiáng)度的削弱,鋼板負(fù)公差、圓筒在卷圓過程中工藝減薄量和腐蝕等因素對(duì)強(qiáng)度的影響,薄壁圓殼的實(shí)際壁厚為
  

   1.1.2殼底和殼蓋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)
  
球形殼底在圓筒形防爆外殼上應(yīng)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(yīng)力和切向應(yīng)力為
  

   
同理,考慮加工過程中諸因素對(duì)殼底強(qiáng)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(yīng)力集中。也將影響殼底的強(qiáng)度,所以,球形端蓋(殼底)的實(shí)際壁厚為
  

1.2圓筒形隔爆外殼的法蘭剛度設(shè)計(jì)
  
薄壁圓筒法蘭和殼底法蘭之間形成隔爆焊接結(jié)合面,當(dāng)圓筒殼內(nèi)的可燃性氣體爆炸時(shí),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(duì)隔爆接合面間隙有嚴(yán)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(duì)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(qiáng)度沒有必要進(jìn)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?jí)毫Φ膱A環(huán),如圖2所示。由彈性力學(xué)理論可知,當(dāng)r=a,自由邊撓度最大。即
  

設(shè)計(jì)法蘭時(shí),除了考慮法蘭厚度附加量C外,還需考慮實(shí)際使用過程中法蘭隔爆面會(huì)遭受一定的機(jī)械損傷,如劃痕和凹坑等,需進(jìn)行修復(fù)后才能使用。因此,設(shè)計(jì)時(shí)法蘭厚度還要留一定的維修余量,故法蘭的實(shí)際厚度為
  

   2  QBZM--80/660N啟動(dòng)器設(shè)計(jì);
  
下面以QBZM一80/660N礦用隔爆型真空可逆電磁啟動(dòng)器外殼為例說明設(shè)計(jì)過程與步驟。該啟動(dòng)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(shè)計(jì)時(shí)可采用相同的壁厚,大腔的強(qiáng)度、剛度可滿足條件時(shí),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(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)器外型圖。
  
根據(jù)以上計(jì)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?，F(xiàn)利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對(duì)殼體和殼蓋進(jìn)行建模。
   

進(jìn)行有限元分析時(shí),必須對(duì)實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。該模型的建立是為有限元分析做?zhǔn)備,因此忽略對(duì)分析結(jié)果影響很小的壓入裝置、閉鎖機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu),以及焊縫和焊接殘余應(yīng)力的影響,以簡化分析過程,突出強(qiáng)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(shè)備國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 3836.2-2000)規(guī)定,對(duì)于隔爆型外殼需要進(jìn)行外殼耐壓試驗(yàn)?，F(xiàn)用COSMOSwodcs軟件來模擬外殼耐壓試驗(yàn)過程,驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性,同時(shí)為外殼改進(jìn)提供理論依據(jù)。
  

3.2預(yù)處理
  
GB 3836規(guī)定。I類殼體的試驗(yàn)壓力為l MPa水壓。由于殼體在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí),殼體和殼蓋的試驗(yàn)分別進(jìn)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(shí),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(duì)于試驗(yàn)壓力來說很小,對(duì)其應(yīng)力和變形影響也很小?？梢院雎圆挥?jì),僅視為對(duì)外殼和殼蓋內(nèi)側(cè)表面施加壓力。
  
接著進(jìn)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(rèn)的網(wǎng)格設(shè)定參數(shù)。
  
   3.3后處理
  
將有限元分析的初始化設(shè)置完成后,運(yùn)行計(jì)算,得到分析結(jié)果。COSMOSworks在管理器里生成應(yīng)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(yīng)力為91.4 MPa。而其他部位應(yīng)力都較低,應(yīng)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(yīng)力為17.58Mpa,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)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(qiáng)度的需要,但卻有較多的強(qiáng)度儲(chǔ)備,造成材料的浪費(fèi)。
  
   4結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
  
通過上面的有限元分析,外殼和殼蓋各部位的應(yīng)力都已清楚地表示。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。首先降低外殼整體的應(yīng)力儲(chǔ)備,再對(duì)改后的殼體和殼蓋進(jìn)行有限元分析,將求得的結(jié)果與改前的結(jié)果進(jìn)行比較。由于5姍的板厚儲(chǔ)存的強(qiáng)度較多,將板厚改為4 mm,進(jìn)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(yīng)力分布在2.152×1000Pa~1.072X 100000000 Pa,殼蓋的應(yīng)力分布為7.49X 1000Pa-2.379X 10000000 Pa。較之5mm壁厚的結(jié)構(gòu),應(yīng)力儲(chǔ)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(jìn)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(dòng)器是某公司新開發(fā)的設(shè)備。外殼在設(shè)計(jì)過程中,首次使用彈塑性力學(xué)理論與有限元分析相結(jié)合的方法,將外殼的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)建立在受力分析的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮了加工過程中諸因素對(duì)外殼強(qiáng)度、剛度的影響,得出了該類外殼的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。
  

初步設(shè)計(jì)的產(chǎn)品運(yùn)用三維建模之后,再利用有限元分析,對(duì)外殼進(jìn)行改進(jìn),使產(chǎn)品最后成型。設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品通過外殼耐壓試驗(yàn)和隔爆試驗(yàn),以及最后用于實(shí)際生產(chǎn)中,都驗(yàn)證其完全滿足強(qiáng)度等要求,取得了很好的效果。
  
可見首先將彈塑性力學(xué)運(yùn)用到外殼的設(shè)計(jì),再利用有限元法進(jìn)行驗(yàn)證,可以有效的改進(jìn)結(jié)構(gòu),降低了外殼的重量,從而達(dá)到了降低企業(yè)成本,節(jié)省資源的目的?？蔀樵O(shè)計(jì)該類產(chǎn)品開發(fā)提供借鑒。

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