搜索基于有限元法的矿用隔爆型圆筒形外壳设计
2013-06-05 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
采用弹塑性力学理论对外壳进行初始化设计,运用SolidWorks软件将得到的设计参数对圆筒形外壳造型,并利用COSMOSworks有限元分析软件对壳体和壳盖进行静载工况的应力分析,根据分析结果调整设计,计算实体应力,并验证其结果能否达到强度、剐度要求。
作者: 巩利萍*宋志安*王俞*刘泽勇 来源: 万方数据
关键字: 弹塑性力学 圆筒形壳体 有限元分析 静载 应力分析
0引言
矿用隔爆型电气设备用于煤矿井下,其隔爆性能是通过隔爆外壳来实现的。隔爆外壳要承受1MPa试验压力,因此。必须具有足够的强度和刚性.就使得科学合理的设计该类外壳在煤矿的安全生产中是至关重要的。
隔爆外壳必须具备如下基本特性:
(1)隔爆性,即壳内发生爆炸时,隔爆外壳应能有效地阻止内部的爆炸压力向外壳周围爆炸性混合物传播;
(2)热传导性,即应保证正常运行和壳内发生爆炸时,外壳的表面温度低于周围介质的引燃温度;
(3)耐爆性,要求外壳有足够的强度和刚度来承受内腔的爆炸压力,而不发生明显的变形或破裂。
以往大多采用经验或类比法进行设计,不能准确计算出各部分的受力情况,在设计时为安全起见,往往加大安全系数。这使得壳体结构笨重.并且具有很大的盲目性,浪费材料,增加了生产成本。
圆筒形隔爆外壳较方形结构具有受力均匀、结构简单、壳体内结构紧凑等优点,现今小型隔爆型电气设备大多采用这种圆筒形结构。
本文利用弹塑性力学理论对外壳进行初步设计,得出外壳的壳体壁厚、法兰厚度等初始参数。再利用Solidworks软件进行三维建模,然后在COSMOSworks软件中进行有限元分析,根据分析结果对壳体进行改进,收到了满意的效果。
1圆筒形隔爆外壳的强度、刚度设计
根据爆炸性气体环境用电气设备国家标准(GB 3836.2-2000),含有瓦斯的爆炸性气体混合物爆炸时的最大压力,一般在0.8 MPa左右。爆炸外壳失效主要是强度不足和刚度不足造成的。
1.1强度设计
圆筒形隔爆外壳由圆筒形壳壁、壳底、法兰和壳盖组成。如图l所示。
1.1.1圆筒形壳壁的强度设计
隔爆外壳的圆筒形壁厚一般取t=3~6 mm,内径D1=200~700 mm,工业中薄壁容器规定t/D=0.05,因此,圆筒形壳壁属薄壁容器范畴。根据弹性力学薄壁圆筒理论可知,
在薄壁圆筒结构中。在相对于P1、P2的第三个方向上作用于内壁的内压力q和外壁上的大气压力都远小于P1、P2(可以认为是零)。主应力为p1、P2、P3,且PI>p2>p3,根据第四强度理论的强度条件,有
把平均直径代入式D=Da+t(3)得薄壁圆筒的壁厚理论值
考虑到外壳在实际加工过程中焊缝对强度的削弱,钢板负公差、圆筒在卷圆过程中工艺减薄量和腐蚀等因素对强度的影响,薄壁圆壳的实际壁厚为
1.1.2壳底和壳盖的强度设计
球形壳底在圆筒形防爆外壳上应用较广.它由球冠冲压钢板成型,而后与简体焊接。所受的力如图1所示。据薄壁球壳理论可知,球壳的径向应力和切向应力为
同理,考虑加工过程中诸因素对壳底强度的影响。另外,由于壳底和法兰两者厚度相差较大,如果其连接断面发生阶梯性突变,将产生应力集中。也将影响壳底的强度,所以,球形端盖(壳底)的实际壁厚为
1.2圆筒形隔爆外壳的法兰刚度设计
薄壁圆筒法兰和壳底法兰之间形成隔爆焊接结合面,当圆筒壳内的可燃性气体爆炸时,产生高温、高压气体,可能通过隔爆结合面泄出。因此,薄壁圆筒和壳底的法兰一样承受爆炸压力q。但是,由于法兰比较狭窄,GB 3836.-2000中对隔爆接合面间隙有严格的数值要求,法兰必须有足够的刚性.不能产生较大的弹性变形和永久变形。另外,由于卡紧的需要,对法兰还有止口或者螺孔深度等工艺上的要求。因此,法兰厚度比壳壁厚得多,故其强度没有必要进行校核,但其刚度必须核算。
由图1.法兰内圆周和筒体(或壳底)焊接,外圆周是自由状态,因此,可将法兰简化为内圆周固定、外圆周自由、受均布压力的圆环,如图2所示。由弹性力学理论可知,当r=a,自由边挠度最大。即
设计法兰时,除了考虑法兰厚度附加量C外,还需考虑实际使用过程中法兰隔爆面会遭受一定的机械损伤,如划痕和凹坑等,需进行修复后才能使用。因此,设计时法兰厚度还要留一定的维修余量,故法兰的实际厚度为
2 QBZM--80/660N启动器设计;
下面以QBZM一80/660N矿用隔爆型真空可逆电磁启动器外壳为例说明设计过程与步骤。该启动器用于含有甲烷爆炸气体以及煤尘的矿井中。外形为圆筒形,分为控制腔(大腔)和接线腔(小腔)两部分,小腔体积比大腔小得多,两者设计时可采用相同的壁厚,大腔的强度、刚度可满足条件时,小腔也可以。
3壳体三维模型建立及有限元分析
3.1壳体三维模型的建立及简化
矿用隔爆型真空电磁启动器大多采用圆筒形隔爆外壳。外壳的控制腔为圆筒形,接线腔为长方体,置于主腔上部,上部由中隔板将接线腔隔为两部分。控制腔盖使用圆盘转动式开启装置。图3为QBZM一80/(560N矿用隔爆型真空可逆电磁启动器外型图。
根据以上计算得到了QBZM-80/660N的壳体的一系列尺寸,壳体壁厚5mm,壳底壁厚5mm,壳体法兰厚13 mm,壳盖法兰厚12mm。现利用三维设计软件SolidWorks对壳体和壳盖进行建模。
进行有限元分析时,必须对实际的结构模型进行适当的简化。该模型的建立是为有限元分析做准备,因此忽略对分析结果影响很小的压入装置、闭锁机构等结构,以及焊缝和焊接残余应力的影响,以简化分析过程,突出强度和刚度的重要性。
简化后壳体三维模型如图4所示。根据爆炸性气体环境用电气设备国家标准(GB 3836.2-2000)规定,对于隔爆型外壳需要进行外壳耐压试验。现用COSMOSwodcs软件来模拟外壳耐压试验过程,验证理论计算的正确性,同时为外壳改进提供理论依据。
3.2预处理
GB 3836规定。I类壳体的试验压力为l MPa水压。由于壳体在进行水压试验时是逐步缓慢加载至最大,并保持以30 s上.所以分析类型确定为静力分析。在进行试验时,壳体和壳盖的试验分别进行,固定法兰的隔爆面,然后向实体内部加l MPa水压,观察壳体和盖产生的变形。在有限元分析时,固定壳体和盖的法兰面。载荷是向简体、壳底和壳盖的内壁加载垂直于内壁的l MPa的压力。外壳自重以及水本身产生的压力相对于试验压力来说很小,对其应力和变形影响也很小。可以忽略不计,仅视为对外壳和壳盖内侧表面施加压力。
接着进行网格划分。单元类型的选择取决于结构的几何形状以及所要求的精度,由于圆筒形的壳体受力比较均匀,故采用系统默认的网格设定参数。
3.3后处理
将有限元分析的初始化设置完成后,运行计算,得到分析结果。COSMOSworks在管理器里生成应力图解,如图5所示。
由图5可以看出,壳体最薄弱的部位是在壳体与接线腔交界处,应力为91.4 MPa。而其他部位应力都较低,应力数值主要介于1.94×1000Pa与4.937x 10000000Pa之间。壳盖产生的最大应力为17.58Mpa,都远远低于材料的许用应力2.0 x 10000000 Pa。
可以看出壁厚5 mm的壳体和壳盖,虽然能满足强度的需要,但却有较多的强度储备,造成材料的浪费。
4结构的改进
通过上面的有限元分析,外壳和壳盖各部位的应力都已清楚地表示。在此基础上进行结构的改进。首先降低外壳整体的应力储备,再对改后的壳体和壳盖进行有限元分析,将求得的结果与改前的结果进行比较。由于5姗的板厚储存的强度较多,将板厚改为4 mm,进行整体的减重。通过图6、图7可以看出,将壁厚改为4mm后,壳体整体产生的应力分布在2.152×1000Pa~1.072X 100000000 Pa,壳盖的应力分布为7.49X 1000Pa-2.379X 10000000 Pa。较之5mm壁厚的结构,应力储备明显降低。外壳的重量分别有了明显的降低,壳体减少了10.26%,壳盖减少了13.04%。壳体改进前后的结果见表l和表2。
5结束语
本文所研究的QBZM-80/660N矿用隔爆型真空可逆电磁启动器是某公司新开发的设备。外壳在设计过程中,首次使用弹塑性力学理论与有限元分析相结合的方法,将外壳的强度、刚度设计建立在受力分析的基础上,同时考虑了加工过程中诸因素对外壳强度、刚度的影响,得出了该类外壳的设计计算公式。
初步设计的产品运用三维建模之后,再利用有限元分析,对外壳进行改进,使产品最后成型。设计出来的产品通过外壳耐压试验和隔爆试验,以及最后用于实际生产中,都验证其完全满足强度等要求,取得了很好的效果。
可见首先将弹塑性力学运用到外壳的设计,再利用有限元法进行验证,可以有效的改进结构,降低了外壳的重量,从而达到了降低企业成本,节省资源的目的。可为设计该类产品开发提供借鉴。
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