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软起动隔爆箱体结构设计与计算【带UG三维图】【8张CAD图纸】【优秀】

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软起动 隔爆箱体 结构设计 与计算 ug三维 cad图纸
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软起动隔爆箱体结构设计与计算

41页 20000字数+说明书+任务书+开题报告+UG三维建模+8张CAD图纸【详情如下】

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UG三维建模

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软起动隔爆箱体结构设计与计算开题报告.doc

软起动隔爆箱体结构设计与计算论文.doc

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摘  要

   本论文对某公司的产品QJR-400/1140(660)矿用隔爆兼本质安全交流软起动器的外壳进行结构优化。

   矿用防爆起动器外壳可以有效地接受内部爆炸压力,还能避免内部爆炸时产生的高温而引起外部爆炸性环境的爆炸。矿用隔爆起动器外壳是由两个不同的矩形组成的箱体,首先对它进行结构简化,把非关键部位去除简化,留下各外形面板及关键承力部件。将弹塑性力学引入设计过程中,根据实物的外形尺寸,将壳体的板简化为力学模型,结合小扰度理论,推算出各个面板的理论尺寸;采用比较法,根据理论和实物拟出不同板厚的方案,采用加强筋对其加固;利用隔爆箱和接线腔上的两对法兰满足刚度要求,对法兰的尺寸计算公式进行推导,得出了结果;对其他关键承力部件,如螺钉,进行理论受力分析。分析了起动器的实际试验和受力状况,确定了强度分析时的试验载荷,参考有关标准和资料,提出了起动器外壳变形的允许值。

   使用UG三维模型软件进行起动器的三维建模,分别作出了关键承力部件的实体模型及简化整体模型。利用Workbench软件,对起动器外壳进行了有限元分析,检验外壳及零部件在1MPa压力测试下产生的应力和位移,获得隔爆箱体、法兰和门等关键部位的位移和应力云图。结合理论数值,来对起动器外壳和关键受力部件进行改进分析,从而达到提高材料的利用率、减轻设备重量和降低成本的目标。

关键词:矿用隔爆起动器;弹塑性力学;有限元分析;三维建模;轻量化。

Abstract

   In this paper, the product QJR-400/1140 of a company's (660) mine flameproof and intrinsically safe AC soft starter shell design and research.

   Flameproof starter shell can effectively under internal explosion pressure, can avoid high temperature internal explosion caused by the explosion of exterior explosive environment. Flameproof starter shell body is composed of two different rectangular, it first makes structure is simplified, the removal of non key parts of simplified, leaving the outer panel and the key force bearing component. The elastic and plastic mechanics is introduced into the design process, according to the shape size, the shell plate is simplified as a mechanical model, combined with the small disturbance theory, calculate the theoretical size of each panel; by comparison, according to the theory and the real draw up plans of different plate thickness, using reinforced reinforcement on the panel;Two pairs of flanges on flameproof boxes and wiring chamber to meet stiffness requirements, the formula for calculating the size of the flange derivation, And obtained the results; Theoretical stress analysis the bearing on other key components, such as bolts. Analysis of the actual situation of the test and force the starter to determine the test load strength analysis, refer to the relevant standards and information presented launcher shell deformation allowable value.

   Three dimensional modeling of starter using UG 3D modeling software, the solid model of the key force bearing components were made and simplified model. Use Workbench software startup shell finite element analysis. Efficacy of displacement and stress in the housing and parts produced under the test pressure 1MPa. Get key parts of the flameproof enclosure, doors and flange stress,According to the theory of value, to improves components of stress analysis on the starter casing and key, so as to improve the material utilization rate, reduce the weight of equipment and cost reductions.

Key words: flameproof starter; The elastoplastic mechanics; Finite Element Analysis; dimensional modeling; lightweight

目  录

1  绪论1

1.1 课题的提出1

1.2 本课题研究的主要内容及意义2

2  矿用隔爆电器设备壳体隔爆要求3

2.1 爆炸性电气设备的分类3

2.2 隔爆型电气设备的主要功能3

2.3隔爆箱的隔爆原理4

2.4 外壳的变形允许值4

2.5 本章小结5

3  壳体强度刚度的理论计算6

3.1 隔爆外壳设计概述6

3.2 箱体结构的设计计算7

3.2.1 弹塑性力学的理论公式7

3.2.2 壳体壁厚的设计9

3.2.3 各面板的最大扰度和应力结果10

3.2.4 门法兰和盖板法兰变形设计12

3.2.5 计算结果讨论13

3.3 连接螺钉的强度及数量13

3.4 优化方案设计16

3.5 本章小结16

4  基于UG的隔爆箱体外壳的三维建模17

4.1 UG软件17

4.2 隔爆软起动器各箱体及组件18

4.3 三维建模19

4.4 本章小结20

5  隔爆软起动器的有限元分析21

5.1 有限元简介21

5.2 ANSYS简介21

5.2.1 技术特点22

5.2.2 ANSYS Workbench平台22

5.3 隔爆软起动器的有限元建模23

5.3.1 几何建模23

5.3.2 材料的设置23

5.3.3 网格划分24

5.3.4 静力分析25

5.4 分析结果25

5.4.1 隔爆箱体的静力分析25

5.4.2 门扣的静力分析29

5.4.3 门面板的静力分析30

5.4.4 法兰的静力分析31

5.5 结果分析与优化32

5.6 本章小结34

6  结论35

谢  辞36

参考文献37

   目前,用于煤矿井下爆炸性气体环境中的控制箱类型主要有本安型“i”、隔爆型“d”和增安型“e”等,隔爆型控制箱在应用中使用较为广泛。本论文涉及的隔爆起动器箱体主要由隔爆壳体、接线腔、内部连接件、引入装置、箱门、腔盖和螺钉等组成,还要有专门的箱门和透明件给有观察器件或者频繁开箱检测的箱体做准备。矿用隔爆型控制箱主要根据国家标准GB3836. 2-2010《爆炸性环境用电气设备第2部分,隔爆型d》和GB3836.1-2010《爆炸性环境用电气设备第1部分, 通用要求》设计与制造的。本论文对隔爆原理、防爆起动器的壳体进行设计和优化作了介绍。

1.1 课题的提出

   石化工业及煤炭工业的迅速发展,提高了人类的工业水平及生活水平的,不过也会带来悲惨的爆炸灾害,在这些工业发展的初期,超过一半的爆炸事故是由电气设备的电火花,电弧产生的高温引起的。

   矿用隔爆型起动器设备主要用于有煤尘和甲烷混合气体等有爆炸可能的矿井下。箱体要求可以承受住通过结构间隙或外壳任何接合面渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部发生的爆炸,而不会点燃外部的爆炸性气体。在有瓦斯环境中的煤矿井下的动力设备,如电动机、开关和控制设备等,因为火花或其他事故会引起瓦斯爆炸,为了避免这种危险,需要把设备设计成有防爆结构的特殊外壳,使其具有耐爆性和不传爆性。

   隔爆型设备需要进行防爆试验(主要有隔爆性能试验和动态强度试验),设计要满足产品外壳一定的强度和刚度。以前国内设计隔爆电箱体时,大多采用类比法或经验设计、计算,在试制样机时如果隔爆外壳通过水压试验则合格,否则需增加外壳上强度或刚度薄弱的部分,然后再通过样机试验来验证设计是否达到要求。

   随着工业科技的迅速发展,矿用电器设备技术也不断获得进展,在煤矿得到广泛应用的壳类电器开关出现了从低压(660V)向高压大容量(1140V,6KV)升级的发展趋势。根据这种需要,在设计生产过程中虽有一些理论分析,但并未对其进行理论研究,诸如根据隔爆电气设备箱体壁厚的理论计算,有限元分析验算等。并且在设计中,随着壳体的大小不同,多次重复的进行相同或相似的绘图,增加了设计时间、影响了出图效率。为了确保隔爆设备的设计科学、可靠、经济及合理,在保证用于爆炸性气体环境安全的情况下,利用弹塑性力学将壳体的板壁抽象成力学模型,计算各部分的壁厚,螺钉的分配,并运用有限元法对隔爆进行静力学分析,检验其强度和刚度是否满足要求,利用结果指导其箱体结构的改进。对提高隔爆电气设备的设计技术水平、快速响应市场、降低成本具有十分重要的意义[4]。  

1.2本课题研究的主要内容及意义

   近年来,对隔爆箱体已进行了许多方面的分析,包括:隔爆外壳强度设计,对箱体结构设计,壳体形状的探讨,对箱体法兰和螺钉联接强度的校核等。尽管经过了这些分析,但是所选用的方法主要选用传统的方法,只用原有的经验和专业知识来选择和调整结构设计参数,只能构造得比较简单的计算模型,与实际的结构形状变化很大,因此,计算精度较低,要使结构能安全可靠地运行,通常的采用提高安全系数,使其结构尺寸加大,浪费结构材料,设计周期大大增加,并且很难使许多设计参数得到正确的选择。由此设计出来的结构,一般达到了设计标准,但在材料使用、结构形式等方面有着不经济和不合理性,结构的综合性能往往不能达到理想状态。设计人员对实际应变、位移和应力情况没有一定的了解,不能得出其薄弱环节的位置,更谈不上进行设备的优化设计。

   现代设备正朝着高速、高精度、高效、低成本、节省资源和高性能等方面的发展,传统的计算方法一般都无法满足要求。所以要满足这种需求,需要想出另外更好的方法。近年来兴起的有限元分析方法,它有计算精度高、速度快和显示直观可靠等特点。因此通过ANSYS软件的支撑下,对防爆起动器箱体进行有限元静应力分析,校验它的强度和刚度有没有满足要求,可以提高起动器壳体,和隔爆电气设备壳体的设计的技术水平,并降低成本有着十分重要的意义[7]。

   本课题利用防爆电器在设计过程中所暴露出来的问题,考虑到防爆电器行业的发展现状,以矿用隔爆兼本质安全交流软起动器(以下简称隔爆起动器),型号为QJR-400/1140(660)的外壳为研究对象,作出了以下的工作:

   (l)尝试使用弹塑性力学理论对起动器进行设计。根据小扰度理论,计算出各个面板的理论厚度以及法兰的尺寸。利用受压状态下螺钉的受力模型,计算出法兰面螺钉的规格、数量和螺钉间距。在理论计算基础上,提出对箱体改进的方案。

   (2)在二维CAD图的基础上,简化起动器壳体,利用UG建立出计算结果的模型设计,以及箱体的总装模型,给ANSYS有限元分析提供三维模型。

   (3)在ANSYS环境下,对防爆起动器进行试验压力的模拟,对防爆起动器箱体及其关键部位进行了应力与位移的分析;再根据有限元分析的结果,对壳体的结构,例如加强筋的布置、箱体的壁厚等,进行结构改进,以实现结构上的优化。

2  矿用隔爆电器设备壳体隔爆要求

   在有爆炸危险环境中使用的电气设备称之为防爆电器,防爆电器设备是具有防爆外壳的电气设备,当设备外壳内部发生可燃性混合物爆炸时,外壳不被破坏,并且不会使壳外可燃性混合物发生燃烧和爆炸的电气设备。可分为两大类:

   Ⅰ类  煤矿井下用电气设备;

   Ⅱ类  工厂用电气设备。

   矿井中,在正常情况下,除了甲烷外等其他可燃性气体时,电气设备必须根据Ⅰ类和Ⅱ类的相应标准制造。煤矿经常使用的是隔爆型与本质安全型电气设备。Ⅱ类电气设备,按其适用于爆炸性气体混合物最大试验安全间隙或最小点燃电流比分为A、B、C三级,按其最高表面温度分为Tl~6六组。对防爆电气设备的技术要求都要符合相应的国家标准GB3836.2—2010。   

2.1  爆炸性电气设备的分类

   在爆炸危险场所使用的防爆设备也根据需求划分成类、级或组别,以便与使用的场所相对应,有利于对号选用。划分的方法和场所是相同的,煤矿用设备表示为Ⅰ类;工厂用设备表示为Ⅱ类,Ⅱ类设备中还划分为ⅡA、ⅡB、ⅡC三级与Tl~T6六个组别。

   防爆电气设备在粉尘场所使用时,依据电气设备的外壳的防护能力可以分为两个等级如表2-1所示:

   表2-1 电器设备防护能力

等级     结构         防护能力           使用区域

DT级   尘密结构型     IP6X,              10区;

DP级   防尘结构型     IP5X,    11区存在有非导电粉尘的地方。  

2.2 隔爆型电气设备的主要功能

   防止故障状态下或正常工作时的设备可能出现电火花,需将它们放入一个或分放在几个隔爆箱体中。有隔爆性能是隔爆型电气设备的基础功能,并且它还要有一定的结构强度,在各个零部件之间的连接中也需要有一定的结构尺寸。当壳内部的电火花、电弧引爆了从外部环境中进入壳内的爆炸性甲烷等空气的混合物时,应该使外壳不会被爆炸,防止破坏壳体破坏和不会引爆壳外的甲烷等混合物气体。

   GB 3836.2-2010对隔爆型电气设备的外壳、间隙、接合面和压力重叠等多个技术参数都做了详细的规定。经过实践论证,按照防爆电气设备的设计制造标准,完全满足生产实际的要求,并能防止电火花引起爆炸事故。

2.3隔爆箱的隔爆原理

   把矿用电气设备的带电部件放入特制的隔爆箱的箱体内,该箱体拥有将箱体内部由于少许电气部件发出的火花或电弧并与箱体外部四周的爆炸性气体粉尘等阻隔开来或不足以引燃和引爆的功用,并且能经受起经受箱体的各个接触面或间隙进入壳体内部的爆炸性介质被壳体内部电气设备引起的火花、电弧引起爆时所产生的爆炸压力,以便不使箱体被损坏;并且能同时能阻止箱体内部气体爆炸的生成物向箱体外的爆炸性介质传播。就可以根据上述的原理来设计隔爆型电气设备。大部分都釆用钢板焊接式结构或铸铁来构成隔爆型电气设备的外壳。一般在隔爆型箱体的设计过程中,主要考虑的因素包括强度和刚度。过去,隔爆箱的箱体进行初步的设计时,一般釆用的是经验法和类比法,即依据已经通过的水压试验并获得经过认证的定型产品,在了解已有定型产品所釆用的材料、板厚、法兰形式、外形形式等已知条件下进行比对、依据经验来设计,但设计中的依据并不够充分。


2.4外壳的变形允许值

   静压试验时外壳产生塑性和弹性变形,特别是体积较大的外壳在试验时都要产生永久塑性变形。如果在出厂试验时进行静压试验,隔爆接合面的变形将造成隔爆接合面间隙超过允许值,造成外壳不合格。国内企业一般是在半精加工后进行水压试验,然后进行精加工,消除压力试验产生的永久塑性变形。因此隔爆接合面只允许弹性变形,不允许有永久塑性变形,保证精加工后(一次切削)达到粗糙度和平面度要求为准。GB3836.2-2010第16.3条规定:压力试验后,如果外壳无结构损坏或可能影响隔爆性能的永久变形,则认为试验合格。试验后,隔爆接合面如果产生永久性塑性变形或弹性变形超过规定值,将影响隔爆性能;如果其它侧面产生弹性变形或塑性变形,不会影响隔爆性能。因此隔爆接合面(盖板和法兰)是隔爆外壳强度计算的关键。对其它侧面的变形只要不影响外观,允许有一定的塑性变形,否则需要增加壁厚或加强筋,这样充分利用材料的强度,减轻产品的重量,降低成本。

   在强度计算时按以下要求作为依据。

   (1) 除隔爆接合面外,隔爆外壳侧面的永久塑性变形允许值,初步确定为该面最大尺寸(长或宽的最大值)的2%,该值以后可以调整;

   (2) 隔爆外壳隔爆接合面,即箱体法兰和盖板只允许弹性变形,不允许有永久塑性变形。

   两者最大挠度之和应该小于许用挠度[f]:

                      (2.1)

   即:盖板许用挠度+箱体法兰的许用挠度≤(隔爆接合面的允许间隙W-平面度公差B)/安全系数s[11]

   因此,在本论文中,根据矿用隔爆起动器结构作为例子,在采用经验和类比法的基础上对其进行初步设计,再用UG三维软件对隔爆箱的箱体进行三维模型建造,利用ANSYS软件来对箱体结构进行应力,位移,变形和安全系数来进行分析,并根据分析出的结果对箱体结构来进行优化设计,最后得出既符合强度、刚度又减少材料的使用和环保的具体要求的箱体具体结构尺寸。  

2.5 本章小结

   本章主要介绍了隔爆起动器设备的概念和分类,爆炸性电器设备的分类、分级与分组,讲述了防爆箱体的类型和防爆原理,对外壳变形的允许值进行了解释,以便为接下来的设计提供思路。

   本课题是以某公司的隔爆软起动器的外壳作为研究对象,型号为QJR-400/1140(660)矿用隔爆兼本质安全交流软起动器。对其箱体进行简化和优化,通过弹塑性力学理论对箱体各面板进行计算,根据计算结果,列出两种比较结果,并用UG软件表达出其三维模型。然后利用Workbench软件进行有限元分析,得出隔爆箱体的简化模型和各个关键部件位移和应力云图,便于对改进提供依据

   主要的研究工作有以下几个方面:

   1)利用弹塑性力学对起动器设备外壳强度刚度的计算。根据煤矿的使用要求和使用规格,该起动器大致可以分为两个部分进行设计,主要为隔爆箱和接线腔体两个部分。两个箱体之间用焊接的方法连接起来,根据实物的外形尺寸来确定简化模型中各个关键部位的零部件尺寸。

   (1)对隔爆箱体壁厚的设计。根据弹塑性力学的小扰度理论,求出各个面板的理论尺寸;

   (2)在均布载荷作用下,起动器的各关键部件和法兰产生弹性变形,进行最大应力和挠度值计算;

   (3)计算连接螺钉的强度和数量。计算出门法兰和接线腔法兰的螺钉受到的总拉力和各规格的螺钉的实际许用拉力,选择出合适的规格和布局;

   (4)根据计算出的数值和实物的比较对箱体的板厚拟出两种方案设计,以便于对优化设计提供依据。

   2)对起动器外壳进行UG三维建模。建立不同尺寸的起动器简化模型,和关键部件的模型。为Workbench要进行的有限元分析提供准备。在整体建模中对模型进行了简化,只表现出箱体的基本结构。不仅节省了建模时间,还有助于有限元对需要分析的部件进行分析。

   3)基于Workbench的有限元分析。本次课题采用的是基于ANSYS的Workbench软件。操作简单给本次课题带来了很大的便利。通过分析可以得出位移和应力云图,并显示出最值和发生未知。其云图形象的表达了部件的变形情况。可以根据这些数据,为优化结构提供有力的依据。

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[17]  曹爱棣.大容积方形隔爆箱体的设计计算[D].河北, 河北省煤炭科学研究所, 1986.


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毕业设计(论文)中期检查表(指导教师)指导教师姓名:高成填表日期: 2014年 04月 17 日学生学号1000110131学生姓名伍荣展题目名称软起动隔爆箱体结构设计与计算已完成内容一、2013年12月25日至2014年1月06日 选择毕业设计题目,搜集资料,理解课题,完成开题报告。二、1月07日至3月01日 熟悉UG和初步了解ANSYS软件和相关知识,查阅相关使用手册。三、3月02日至3月07日 理解防爆箱的结构及其工作原理,弄懂箱体的关键部位,确定需要校核的相关尺寸。四、3月08日至4月01日 用autoCAD绘制箱体的二维简化图并用UG三维软件建立箱体模型。 检查日期:完成情况全部完成按进度完成滞后进度安排存在困难初次学习ANSYS软件,并且该软件只有英文版,在使用上有一定的困难,使用时要对照教程,进度比较慢;对箱体结构的网格划分和单元个数概念不太清楚,导致进度有点缓慢;后续的应力分析和箱体简化还需查找相关资料进行合理的分析。解决办法多看看ANSYS软件的使用教程;查找相关模型的有限元分析实例,参照分析方法,对箱体优化设计;通过网络资料和询问同学及老师来解决现有的问题。预期成绩优 秀良 好中 等及 格不及格建议 教师签名: 教务处实践教学科制表说明:1、本表由检查毕业设计的指导教师如实填写;2、此表要放入毕业设计(论文)档案袋中;3、各院(系)分类汇总后报教务处实践教学科备案。毕业设计(论文)中期检查汇总表(院、系、部)院、部 填表日期: 年 月 日课题完成情况全部完成按进度完成滞后进度完成人数比例人数比例人数比例预期成绩优 秀良 好中 等及 格不及格数量比例数量比例数量比例数量比例数量比例检查内容及基本情况检查学生人数:检查内容:检查方式:检查情况汇总:初期检查中存在的问题解决情况当前存在的问题以及拟采取的措施和预期解决情况填表人:审核人:院、部(盖章):编号: 毕业设计(论文)任务书题 目:软起动隔爆箱体结构设计与计算 学院: 机电工程学院 专 业:机械设计制造及其自动化学生姓名: 伍荣展 学 号: 1000110131 指导教师单位: 机电工程学院 姓 名: 高成 职 称: 助理研究员 题目类型:理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013年12月13日一、毕业设计(论文)的内容矿用隔爆兼本安型交流软起动器直接在煤矿井下运行,其箱体结构复杂,设计与制造质量要求高。由于运行验压力,所以箱体必须要有足够的强度和刚性。由于箱体结构复杂,很难寻求一种简化方法对其进行准确而可靠的设计。因此,过去对箱体的设计国内一直是基于经验或按类比法进行的。这往往会带来一些问题,如为安全起见,设计时加大安全系数,使结构越来越笨重,从而具有很大的盲目性。随着科学技术的发展,利用计算机和有限元方法使得复杂结构的强度计算成为现实。本文运用经验或类比法进行初步设计,再运用有限元法对箱体结构进行应力和变形分析,在此基础上对箱体结构进行优化设计,收到了满意的效果。矿用隔爆兼本安型交流软起动器箱体结构由板筋件通过焊接将其组装成箱体。首先采用经验和类比方法进行初步设计,用三维设计软件 SolidWorks建立箱体的三维模型,再直接导人到有限元分析软件中进行计算。通过计算可获取箱体的应力值与变形值,为箱体的优化设计提供必要的依据。箱体由箱盖与箱壳两部分组成,箱盖与箱壳均为焊接结构,它们通过螺栓连接,箱体内侧布置有各种类型的加强筋。作为计算模型需要对实际的结构模型进行适当的简化,利用箱体结构和受力的对称性,取箱体的二分之一进行分析。为突出箱体结构对强度和刚度的影响,忽略焊缝和焊接残余应力的影响,对螺栓孔和螺栓也进行了相应的简化处理,而将箱体作为整体来分析。单元类型的选择取决于结构的几何形状和所要求的计算精度。由于箱体结构复杂,采用三维10节点等长四面体单元划分网格,有限元的网格划分是关系到计算精度、计算机速度、容量与收敛性的重要问题。应用有限元软件系统分析箱体的应力分布和变形规律,找出箱体的薄弱区域,针对强度薄弱区和强度富余区进行结构改进设计。优化后的箱体结构不仅强度可以提高,变形也得到控制,而且箱体重量也会降低,达到优化设计的目的。二、毕业设计(论文)的要求与数据1、总装图及零件图完整表达对象,体现装配和加工要求;2、毕业设计说明书应包含中英文摘要、设计方案比较、计结构设、理论计算、零部件制造工艺、数值模拟分析、实体建模说明等内容;3、完成UG、Pro/E或SolidWorks等软件对隔爆箱体及其零部件进行实体建模,并用ansys等有限元软件进行整体受力模拟;分析关键受力部件的应力分布云图,标明箱体承力危险部位。4、毕业设计说明书应包含整体结构中承力部件(组件)的模拟、分析、计算及优化方案,计算刚度、强度、挠度值,考察零件的变形程度是否达到GB3836.2-2010所要求的数值,重点为两腔法兰、紧固件、箱门卡扣、主腔侧壁、箱门等。并产品轻量化为目标优化计算箱体结构尺寸。三、毕业设计(论文)应完成的工作1、完成二万字左右的毕业设计说明书(论文);在毕业设计说明书(论文)中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要;2、独立完成与课题相关,不少于四万字符的指定英文资料翻译(附英文原文);3、绘制总装图及关键部件的生产加工图纸,至少包含三张A0以上的计算机绘图图纸,实体建模电子文档。四、应收集的资料及主要参考文献1 GB3836.2-2010, 爆炸性气体环境用电气设备第2部分:隔爆型“d”S.2 成大先. 机械设计手册(第五版)M. 北京: 化学工业出版社, 2008.3 张朝晖. ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析(第三版)M. 北京: 机械工业出版社, 2010.4 王新荣. 有限元法基础与ANSYS应用M. 北京: 科学出版社, 2008.5 巩利萍. 隔爆电气设备外壳的设计及有限元分析D. 青岛: 山东科技大学, 2009.6 徐建文. 隔爆外壳紧固件的设计J. 电气防爆, 2003(1): 8-12. 7 张宝富, 穆希辉, 杜峰坡. 基于有限元法的电机隔爆外壳设计J. 煤炭科学技术, 2009, 37(10): 58-60, 64.8 孙海林. 隔爆电气设备外壳强度分析及参数化设计D. 西安, 西安理工大学, 2006. 9 高秀洪, 李卫东, 姬根荣. 1140V圆柱形隔爆外壳的设计J. 电气防爆, 2004(3): 33-38.10 Putatunda, S.K. Introduction to Elastic-Plastic Fracture Mechanics J. Journal of the Institution of Engineers, 2008: 101-109.五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台、打印机一台、ansys软件、SolidWorks软件一、电子图板软件。任务下达时间:2013年12月17日毕业设计开始与完成时间:2013年12月17日至 2014年05 月26日组织实施单位:教研室主任意见:签字: 2013年12月14日院领导小组意见:签字: 2013 年12月16日编号: 毕业设计(论文)开题报告题 目: 软起动隔爆箱体 结构设计与计算 院 (系): 机电工程学院 专 业:机械设计制造及其自动化学生姓名: 学 号: 指导教师单位: 机电工程学院 姓 名: 职 称: 助理研究员 题目类型:理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2014年01月04日1毕业设计的主要内容、重点和难点等一、主要内容: 1、学会并熟练应用UG和ANSYS软件等相关软件,查找和本课题相关的文献和资料。2、并分析软启动隔爆箱体的结构和特点及其各个零部件的作用。分析其关键部位和非关键部位。3、用CAD二维软件分析和绘制箱体的二维结构,画出最终简化的二维结构图。4、用UG三维软件创建箱体的虚拟模型,将模型导入ANSYS软件。5、用ANSYS软件对箱体进行有限元分析。分析不同受力环境下箱体结构的应力分布情况。6、经过有限元分析,对箱体结构进行优化设计。重点考虑两个方面:一是对箱体的薄弱部位进行加强,二是对箱体应力强度储备大的地方进行“减重”。7、对板壁和加强筋等关键部分进行应力和强度等相关参数的计算和校核。8、整理和汇总并编写出设计报告。9、翻译专业外语文献。二、设计的重点:1、有限元分析的学习和ANSYS软件的应用。2、箱体结构的分析和简化。3、三维模型的建立。4、箱体结构应力的分析和强度校核计算。5、箱体结构的优化。设计的难点:1、用软件对箱体的应力分析设计。2、箱体结构的优化设计。3、相关参数的校核。2准备情况(查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等)一、调研情况用于煤矿井下爆炸性气体环境中的控制箱有本安型i、隔爆型d和增安型e等防爆类型,应用最多的是隔爆型控制箱。隔爆型控制箱一般由壳体、内部连接件、引入装置、堵板等组成,需经常开箱检测或有观察器件的箱体还需要有箱门和透明件。隔爆型控制箱体设计主要是根据隔爆原理,设计合理的隔爆面参数和箱体结构,使设计的隔爆型控制箱体满足隔爆要求,在实际使用过程中达到设计效果,起到隔爆的作用。在控制箱设计中,关键是壳体的强度设计以及隔爆面的结构设计。软启动隔爆箱体应用于煤矿井下,其工作环境存在大量可燃介质(如甲烷、煤尘等)。引起爆炸的因素很多,但主要是电气设备在运行过程中产生的火花和温度。设备内部发生爆炸时,当爆炸混合气体的火焰经过外壳隔爆接合面时,隔爆接合面间隙破坏了可燃性混合物燃烧和爆炸的火焰反应带。防止这些火花和温度引起周围可燃性 介质爆炸。另外,火焰在间隙传播中又散失了部分热量,因此,火焰经过隔爆接合面间隙传播之后 大大地变小变弱,温度降低,不能形成连续燃烧通路,熄灭火焰,不致引起设备外部发生爆炸、燃烧。隔爆外壳既能承受内部混合爆炸气体被引爆所产生的爆炸压力,又能防止内部爆炸火焰和高温气体通过隔爆间隙点燃外壳周围的爆炸性气体混合物。也就是说,外壳必须能承受内部爆炸压力,或者使火花熄灭、温度下降,即使传到周围介质中,也绝对不会引起爆炸。故当其设备内部即使发生故障,如起火、短路、爆炸等,也能将爆炸危险隔绝在设备内部。 矿用隔爆箱体结构由板筋件通过焊接,将其组装成箱体。首先采用类比方法进行初步设计,并用三维设计软件UG建立箱体的三维模型,再直接导入到有限元分析软件ANSYS中进行计算。通过计算可获取箱体的应力值与变形值,为箱体的优化设计提供必要的依据。利用优化设计后的数据对箱体进行加强和“减重”来达到强化和减轻箱体二、参考文献1 邓平凡.ANSYS 12有限元分析自学手册M.北京,人民邮电出版社,2011.2 张红松,胡仁喜,康士廷. ANSYS 12.0有限元分析从入门到精通M.北京,机械工业出版社,2010.3 展迫优.UG NX8.0工程图教程M. 北京,机械工业出版社 2012.4 巩利萍.隔爆电气设备外壳的设计及有限元分析D.青岛:山东科技大学, 2009. 5 江克斌,屠义强,邵飞.结构分析有限元原理ANSYS实现M. 北京,国防工业出版社, 2005.6 徐建文.隔爆外壳紧固件的设计J.电气防爆, 2003(1): 8-12. 7 贺奎.矿用快开门隔爆箱的结构设计和研究J.机电信息,2010.8 刘坤.ANSYS有限元方法精解M.北京,国防工业出版社,2005.9 陈英姿.隔爆电气设备的隔爆原理及电缆的引入J.河北化工 2007,30(6):60-6110 editors, M. Brocchini, F. Trivellato. Vorticity and turbulence effects in fluid structure interaction : an application to hydraulic structure design. QWE press. 2006三、现有设备及实验条件计算机一台、打印机一台、ANSYS软件一个、UG软件一个、autoCAD软件一个。3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料一、2013年12月25日至2014年1月06日 选择毕业设计题目,搜集资料,理解课题,完成开题报告。二、1月07日至3月01日 熟悉UG和ANSYS软件和相关知识,查阅相关使用手册。三、3月02日至3月07日 理解防爆箱的结构及其工作原理,弄懂箱体的关键部位,确定需要校核的相关尺寸。四、3月08日至4月01日 用autoCAD绘制箱体的二维简化图并用UG三维软件建立箱体模型。五、4月02日至5月01日 完成箱体结构的有限元分析,对关键部位进行优化设计。六、5月02日至5月19日 整理、计算和校核箱体的相关参数。七、5月20日至6月05日 整理打印毕业论文及相关资料,交指导老师评阅。指导教师意见指导教师(签字): 2012年12月28日开题小组意见开题小组组长(签字):2013年1 月 5日 院(系、部)意见 主管院长(系、部主任)签字: 2013年1月日- 3 -编号: 毕业设计(论文)说明书题 目: 软起动隔爆箱体 结构设计与计算 学院: 机电工程学院 专 业:机械设计制造及其自动化学生姓名: 学 号: 指导老师: 职 称: 助理研究员 题目类型:理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2014年05月26日桂林电子科技大学毕业设计(论文)说明书用纸摘 要本论文对某公司的产品QJR-400/1140(660)矿用隔爆兼本质安全交流软起动器的外壳进行结构优化。矿用防爆起动器外壳可以有效地接受内部爆炸压力,还能避免内部爆炸时产生的高温而引起外部爆炸性环境的爆炸。矿用隔爆起动器外壳是由两个不同的矩形组成的箱体,首先对它进行结构简化,把非关键部位去除简化,留下各外形面板及关键承力部件。将弹塑性力学引入设计过程中,根据实物的外形尺寸,将壳体的板简化为力学模型,结合小扰度理论,推算出各个面板的理论尺寸;采用比较法,根据理论和实物拟出不同板厚的方案,采用加强筋对其加固;利用隔爆箱和接线腔上的两对法兰满足刚度要求,对法兰的尺寸计算公式进行推导,得出了结果;对其他关键承力部件,如螺钉,进行理论受力分析。分析了起动器的实际试验和受力状况,确定了强度分析时的试验载荷,参考有关标准和资料,提出了起动器外壳变形的允许值。使用UG三维模型软件进行起动器的三维建模,分别作出了关键承力部件的实体模型及简化整体模型。利用Workbench软件,对起动器外壳进行了有限元分析,检验外壳及零部件在1MPa压力测试下产生的应力和位移,获得隔爆箱体、法兰和门等关键部位的位移和应力云图。结合理论数值,来对起动器外壳和关键受力部件进行改进分析,从而达到提高材料的利用率、减轻设备重量和降低成本的目标。 关键词:矿用隔爆起动器;弹塑性力学;有限元分析;三维建模;轻量化。AbstractIn this paper, the product QJR-400/1140 of a companys (660) mine flameproof and intrinsically safe AC soft starter shell design and research.Flameproof starter shell can effectively under internal explosion pressure, can avoid high temperature internal explosion caused by the explosion of exterior explosive environment. Flameproof starter shell body is composed of two different rectangular, it first makes structure is simplified, the removal of non key parts of simplified, leaving the outer panel and the key force bearing component. The elastic and plastic mechanics is introduced into the design process, according to the shape size, the shell plate is simplified as a mechanical model, combined with the small disturbance theory, calculate the theoretical size of each panel; by comparison, according to the theory and the real draw up plans of different plate thickness, using reinforced reinforcement on the panel;Two pairs of flanges on flameproof boxes and wiring chamber to meet stiffness requirements, the formula for calculating the size of the flange derivation, And obtained the results; Theoretical stress analysis the bearing on other key components, such as bolts. Analysis of the actual situation of the test and force the starter to determine the test load strength analysis, refer to the relevant standards and information presented launcher shell deformation allowable value.Three dimensional modeling of starter using UG 3D modeling software, the solid model of the key force bearing components were made and simplified model. Use Workbench software startup shell finite element analysis. Efficacy of displacement and stress in the housing and parts produced under the test pressure 1MPa. Get key parts of the flameproof enclosure, doors and flange stress,According to the theory of value, to improves components of stress analysis on the starter casing and key, so as to improve the material utilization rate, reduce the weight of equipment and cost reductions.Key words: flameproof starter; The elastoplastic mechanics; Finite Element Analysis; dimensional modeling; lightweight目 录1 绪论11.1 课题的提出11.2 本课题研究的主要内容及意义22 矿用隔爆电器设备壳体隔爆要求32.1 爆炸性电气设备的分类32.2 隔爆型电气设备的主要功能32.3隔爆箱的隔爆原理42.4 外壳的变形允许值42.5 本章小结53 壳体强度刚度的理论计算63.1 隔爆外壳设计概述63.2 箱体结构的设计计算73.2.1 弹塑性力学的理论公式73.2.2 壳体壁厚的设计93.2.3 各面板的最大扰度和应力结果103.2.4 门法兰和盖板法兰变形设计123.2.5 计算结果讨论133.3 连接螺钉的强度及数量133.4 优化方案设计163.5 本章小结164 基于UG的隔爆箱体外壳的三维建模174.1 UG软件174.2 隔爆软起动器各箱体及组件184.3 三维建模194.4 本章小结205 隔爆软起动器的有限元分析215.1 有限元简介215.2 ANSYS简介215.2.1 技术特点225.2.2 ANSYS Workbench平台225.3 隔爆软起动器的有限元建模235.3.1 几何建模235.3.2 材料的设置235.3.3 网格划分245.3.4 静力分析255.4 分析结果255.4.1 隔爆箱体的静力分析255.4.2 门扣的静力分析295.4.3 门面板的静力分析305.4.4 法兰的静力分析315.5 结果分析与优化325.6 本章小结346 结论35谢 辞36参考文献37 III 桂林电子科技大学毕业设计(论文)说明书用纸 第36页 共37页1 绪论目前,用于煤矿井下爆炸性气体环境中的控制箱类型主要有本安型“i”、隔爆型“d”和增安型“e”等,隔爆型控制箱在应用中使用较为广泛。本论文涉及的隔爆起动器箱体主要由隔爆壳体、接线腔、内部连接件、引入装置、箱门、腔盖和螺钉等组成,还要有专门的箱门和透明件给有观察器件或者频繁开箱检测的箱体做准备。矿用隔爆型控制箱主要根据国家标准GB3836. 2-2010爆炸性环境用电气设备第2部分,隔爆型d和GB3836.1-2010爆炸性环境用电气设备第1部分, 通用要求设计与制造的。本论文对隔爆原理、防爆起动器的壳体进行设计和优化作了介绍。1.1 课题的提出石化工业及煤炭工业的迅速发展,提高了人类的工业水平及生活水平的,不过也会带来悲惨的爆炸灾害,在这些工业发展的初期,超过一半的爆炸事故是由电气设备的电火花,电弧产生的高温引起的。矿用隔爆型起动器设备主要用于有煤尘和甲烷混合气体等有爆炸可能的矿井下。箱体要求可以承受住通过结构间隙或外壳任何接合面渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部发生的爆炸,而不会点燃外部的爆炸性气体。在有瓦斯环境中的煤矿井下的动力设备,如电动机、开关和控制设备等,因为火花或其他事故会引起瓦斯爆炸,为了避免这种危险,需要把设备设计成有防爆结构的特殊外壳,使其具有耐爆性和不传爆性。隔爆型设备需要进行防爆试验(主要有隔爆性能试验和动态强度试验),设计要满足产品外壳一定的强度和刚度。以前国内设计隔爆电箱体时,大多采用类比法或经验设计、计算,在试制样机时如果隔爆外壳通过水压试验则合格,否则需增加外壳上强度或刚度薄弱的部分,然后再通过样机试验来验证设计是否达到要求。随着工业科技的迅速发展,矿用电器设备技术也不断获得进展,在煤矿得到广泛应用的壳类电器开关出现了从低压(660V)向高压大容量(1140V,6KV)升级的发展趋势。根据这种需要,在设计生产过程中虽有一些理论分析,但并未对其进行理论研究,诸如根据隔爆电气设备箱体壁厚的理论计算,有限元分析验算等。并且在设计中,随着壳体的大小不同,多次重复的进行相同或相似的绘图,增加了设计时间、影响了出图效率。为了确保隔爆设备的设计科学、可靠、经济及合理,在保证用于爆炸性气体环境安全的情况下,利用弹塑性力学将壳体的板壁抽象成力学模型,计算各部分的壁厚,螺钉的分配,并运用有限元法对隔爆进行静力学分析,检验其强度和刚度是否满足要求,利用结果指导其箱体结构的改进。对提高隔爆电气设备的设计技术水平、快速响应市场、降低成本具有十分重要的意义4。1.2本课题研究的主要内容及意义近年来,对隔爆箱体已进行了许多方面的分析,包括:隔爆外壳强度设计,对箱体结构设计,壳体形状的探讨,对箱体法兰和螺钉联接强度的校核等。尽管经过了这些分析,但是所选用的方法主要选用传统的方法,只用原有的经验和专业知识来选择和调整结构设计参数,只能构造得比较简单的计算模型,与实际的结构形状变化很大,因此,计算精度较低,要使结构能安全可靠地运行,通常的采用提高安全系数,使其结构尺寸加大,浪费结构材料,设计周期大大增加,并且很难使许多设计参数得到正确的选择。由此设计出来的结构,一般达到了设计标准,但在材料使用、结构形式等方面有着不经济和不合理性,结构的综合性能往往不能达到理想状态。设计人员对实际应变、位移和应力情况没有一定的了解,不能得出其薄弱环节的位置,更谈不上进行设备的优化设计。现代设备正朝着高速、高精度、高效、低成本、节省资源和高性能等方面的发展,传统的计算方法一般都无法满足要求。所以要满足这种需求,需要想出另外更好的方法。近年来兴起的有限元分析方法,它有计算精度高、速度快和显示直观可靠等特点。因此通过ANSYS软件的支撑下,对防爆起动器箱体进行有限元静应力分析,校验它的强度和刚度有没有满足要求,可以提高起动器壳体,和隔爆电气设备壳体的设计的技术水平,并降低成本有着十分重要的意义7。本课题利用防爆电器在设计过程中所暴露出来的问题,考虑到防爆电器行业的发展现状,以矿用隔爆兼本质安全交流软起动器(以下简称隔爆起动器),型号为QJR-400/1140(660)的外壳为研究对象,作出了以下的工作:(l)尝试使用弹塑性力学理论对起动器进行设计。根据小扰度理论,计算出各个面板的理论厚度以及法兰的尺寸。利用受压状态下螺钉的受力模型,计算出法兰面螺钉的规格、数量和螺钉间距。在理论计算基础上,提出对箱体改进的方案。(2)在二维CAD图的基础上,简化起动器壳体,利用UG建立出计算结果的模型设计,以及箱体的总装模型,给ANSYS有限元分析提供三维模型。(3)在ANSYS环境下,对防爆起动器进行试验压力的模拟,对防爆起动器箱体及其关键部位进行了应力与位移的分析;再根据有限元分析的结果,对壳体的结构,例如加强筋的布置、箱体的壁厚等,进行结构改进,以实现结构上的优化。2 矿用隔爆电器设备壳体隔爆要求在有爆炸危险环境中使用的电气设备称之为防爆电器,防爆电器设备是具有防爆外壳的电气设备,当设备外壳内部发生可燃性混合物爆炸时,外壳不被破坏,并且不会使壳外可燃性混合物发生燃烧和爆炸的电气设备。可分为两大类:类 煤矿井下用电气设备;类 工厂用电气设备。矿井中,在正常情况下,除了甲烷外等其他可燃性气体时,电气设备必须根据类和类的相应标准制造。煤矿经常使用的是隔爆型与本质安全型电气设备。类电气设备,按其适用于爆炸性气体混合物最大试验安全间隙或最小点燃电流比分为A、B、C三级,按其最高表面温度分为Tl6六组。对防爆电气设备的技术要求都要符合相应的国家标准GB3836.22010。2.1 爆炸性电气设备的分类在爆炸危险场所使用的防爆设备也根据需求划分成类、级或组别,以便与使用的场所相对应,有利于对号选用。划分的方法和场所是相同的,煤矿用设备表示为类;工厂用设备表示为类,类设备中还划分为A、B、C三级与TlT6六个组别。防爆电气设备在粉尘场所使用时,依据电气设备的外壳的防护能力可以分为两个等级如表2-1所示:表2-1 电器设备防护能力等级 结构 防护能力 使用区域DT级 尘密结构型 IP6X, 10区;DP级 防尘结构型 IP5X, 11区存在有非导电粉尘的地方。2.2 隔爆型电气设备的主要功能防止故障状态下或正常工作时的设备可能出现电火花,需将它们放入一个或分放在几个隔爆箱体中。有隔爆性能是隔爆型电气设备的基础功能,并且它还要有一定的结构强度,在各个零部件之间的连接中也需要有一定的结构尺寸。当壳内部的电火花、电弧引爆了从外部环境中进入壳内的爆炸性甲烷等空气的混合物时,应该使外壳不会被爆炸,防止破坏壳体破坏和不会引爆壳外的甲烷等混合物气体。GB 3836.2-2010对隔爆型电气设备的外壳、间隙、接合面和压力重叠等多个技术参数都做了详细的规定。经过实践论证,按照防爆电气设备的设计制造标准,完全满足生产实际的要求,并能防止电火花引起爆炸事故。2.3隔爆箱的隔爆原理把矿用电气设备的带电部件放入特制的隔爆箱的箱体内,该箱体拥有将箱体内部由于少许电气部件发出的火花或电弧并与箱体外部四周的爆炸性气体粉尘等阻隔开来或不足以引燃和引爆的功用,并且能经受起经受箱体的各个接触面或间隙进入壳体内部的爆炸性介质被壳体内部电气设备引起的火花、电弧引起爆时所产生的爆炸压力,以便不使箱体被损坏;并且能同时能阻止箱体内部气体爆炸的生成物向箱体外的爆炸性介质传播。就可以根据上述的原理来设计隔爆型电气设备。大部分都釆用钢板焊接式结构或铸铁来构成隔爆型电气设备的外壳。一般在隔爆型箱体的设计过程中,主要考虑的因素包括强度和刚度。过去,隔爆箱的箱体进行初步的设计时,一般釆用的是经验法和类比法,即依据已经通过的水压试验并获得经过认证的定型产品,在了解已有定型产品所釆用的材料、板厚、法兰形式、外形形式等已知条件下进行比对、依据经验来设计,但设计中的依据并不够充分。2.4外壳的变形允许值静压试验时外壳产生塑性和弹性变形,特别是体积较大的外壳在试验时都要产生永久塑性变形。如果在出厂试验时进行静压试验,隔爆接合面的变形将造成隔爆接合面间隙超过允许值,造成外壳不合格。国内企业一般是在半精加工后进行水压试验,然后进行精加工,消除压力试验产生的永久塑性变形。因此隔爆接合面只允许弹性变形,不允许有永久塑性变形,保证精加工后(一次切削)达到粗糙度和平面度要求为准。GB3836.2-2010第16.3条规定:压力试验后,如果外壳无结构损坏或可能影响隔爆性能的永久变形,则认为试验合格。试验后,隔爆接合面如果产生永久性塑性变形或弹性变形超过规定值,将影响隔爆性能;如果其它侧面产生弹性变形或塑性变形,不会影响隔爆性能。因此隔爆接合面(盖板和法兰)是隔爆外壳强度计算的关键。对其它侧面的变形只要不影响外观,允许有一定的塑性变形,否则需要增加壁厚或加强筋,这样充分利用材料的强度,减轻产品的重量,降低成本。在强度计算时按以下要求作为依据。(1) 除隔爆接合面外,隔爆外壳侧面的永久塑性变形允许值,初步确定为该面最大尺寸(长或宽的最大值)的2%,该值以后可以调整; (2) 隔爆外壳隔爆接合面,即箱体法兰和盖板只允许弹性变形,不允许有永久塑性变形。两者最大挠度之和应该小于许用挠度f: (2.1)即:盖板许用挠度+箱体法兰的许用挠度(隔爆接合面的允许间隙W-平面度公差B)/安全系数s11因此,在本论文中,根据矿用隔爆起动器结构作为例子,在采用经验和类比法的基础上对其进行初步设计,再用UG三维软件对隔爆箱的箱体进行三维模型建造,利用ANSYS软件来对箱体结构进行应力,位移,变形和安全系数来进行分析,并根据分析出的结果对箱体结构来进行优化设计,最后得出既符合强度、刚度又减少材料的使用和环保的具体要求的箱体具体结构尺寸。2.5 本章小结本章主要介绍了隔爆起动器设备的概念和分类,爆炸性电器设备的分类、分级与分组,讲述了防爆箱体的类型和防爆原理,对外壳变形的允许值进行了解释,以便为接下来的设计提供思路。3 壳体强度刚度的理论计算3.1 隔爆外壳设计概述矿用隔爆型电气设备的隔爆性能是通过隔爆外壳来实现的。目前隔爆外壳就其外形来说可分为两大类,一是圆柱体,二是长方体。矿井下爆炸产生的压力是随着容器形状的不同而改变,也随着外形散热面积的增大而使爆炸压力下降。试验证明,在相同容积,不同形状的容器内进行爆炸试验,其爆炸压力是不同的,见表3-1。其中球体容积的爆炸压力最大,长方体容器的爆炸压力最小。又因为长方体外壳内腔安装机械和电气零部件方便,同时又能充分利用壳体的内腔空间。所以,长方体外壳越来越受设计者和使用者的欢迎,较广泛的应用在大、中型开关及其它隔爆型电气设备上,如6kV隔爆型高压开关、矿用隔爆型移动变电站用高压真空配电装置、矿用隔爆型低压保护箱等。表3-1 不同外形的容器爆炸试验产生的压力表容积形状球体正方体圆柱体长方体爆炸压力7.256.25.65.2进行静力试验时,隔爆外壳要承受1MPa的试验压力,因此必须具有足够的强度和刚性。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12本课题是以型号为QJR-400/1140(660)的矿用隔爆起动器作为研究对象,其中所涉及到的外形尺寸都是依据该起动器来选取的。计算其箱体受力后的应力和应变。外形图如图3.1所示。图3.1矿用隔爆兼本质安全交流软起动器外形图长方体隔爆外壳是由钢板焊接而成的六面体结构,因此,对于体积较大的外壳,因受力大,所用钢板必然较厚,使壳体笨重,成本增加。为了减少板厚、降低壳体重量和成本,一般均采用加强筋结构。对有加强筋的长方体外壳,其受力情况较圆柱体外壳复杂得多,需要进行复杂的数学运算。以往的设计停留在类比法,靠经验设计该外壳,设计者心中往往无数,在水压试验或隔爆性能试验时常常发生问题,造成较大的经济损失,同时又延误了设计和生产时间。因此,有加强筋的隔爆外壳的设计必须建立在科学可靠的基础上。本章将弹塑性力学以及材料力学的计算方法引入隔爆外壳的设计计算中,以期使隔爆外壳的设计更为科学、合理、经济以及可靠133.2 箱体结构的设计计算3.2.1 弹塑性力学的理论公式由两个平行平面和垂直于平面的柱面所组成的结构,其平面间的距离远小于平面本身的尺寸(如长度、宽度或直径)时,该结构称为薄板。若板的厚度用h表示,与上、下表面等距离的平面称为中面,且中面的特征尺寸(如边长或直径)为l,则h/l小于1/5时,可以按薄板计算。作用于板上的载荷,一般可分为沿中面及垂直于中面的两部分,前者按平面应力问题处理,而后者则是薄板弯曲理论所研究的内容。在侧向载荷的作用下,薄板将产生弯曲变形,当板的最大弯曲挠度。远小于板的厚度h时,称为小挠度问题。对于薄板的弯曲小挠度理论做了以下基本假设:垂直于板厚方向的变形(挠度)远小于板的边长。取中面为厚度t=0的面,参考图3.214图3.2薄板小挠度理论假设条件(l)变形前与中面垂直的直线,变形后仍是垂直于其中面的直线,且线段长度保持不变。此假设即为直法线假设。(2)薄板中面内各点没有平行于中面的位移,即中面内任意一点沿x方向及y方向的位移=0以及=0,而且只有沿中面法线方向的挠度,在忽略挠度沿板厚的变化时,可认为在同一厚度的各点的挠度相同,都等于中面的挠度。(3)应力分量,远小于其他三个应力分量,并取=0,即平行于板中面的各层互不挤压。由第一个假设可知,即,薄板的挠度有=(x,y),又由=,即 (3.1)积分上式,得 (3.2)考虑到假设(2),即,因此,上式成为 (3.3)基于这三点假设,应用几何方程将各个形变分量用位移表示;再将物理方程代入形变分量,就可以用表示各个应力分量,再利用平衡方程,就可以得到薄板的弹性曲面微分方程:D()= (3.4)其中D=是板的弯曲刚度,E是弹性模量,h是板的厚度,是泊松比,是单位面积内的横向载荷。参考图(3.2),板在弯曲时应力与弯矩的关系: (3.5)是绕Y轴的弯矩。应用上述公式,通过计算可以得到:(1)四边固定支撑的矩形板的最大挠度出现在板的中心位置,大小为:=0.00126 (3.6)a是短边长度,结果与长边长度b无关。最大应力数值发生在板的上下表面上的固支边长边的中点。当泊松比取0.3时,中心弯矩和边界中点的最大弯矩分别为: (3.7) (3.8)负号指以上两者是反向的。(2)四边简支的矩形板的中心挠度为:=0.00406 (3.9)最大弯矩发生在板的中心点,其值为: (3.10)通过上面应力与弯矩的关系式,可以解得最大应力。3.2.2壳体壁厚的设计外壳壳壁分别焊接在由主向梁和交叉梁组成的网格上,且设定两方向梁有足够的强度。因此,可将壳体壁板每面的平板化小,即由两向梁组成的长方格作为支撑,来校核网格内平板的强度。此长方格内平板受力模型可简化为四边简支,受均布载荷(设计压力)作用,如图3.5所示根据弹性小扰度理论,四边简支板的最大应力在板中央,即12 (3.11)式中 应力系数(见表3-2); q设计压力,1Mpa; a矩形板短边长度,m; t矩形板厚度,m。图3.5 壳壁受力图表3-2 应力系数b/a1.01.21.51.82.00.28740.37560.48720.56880.6102b/a2.53.03.54.04.50.680.71340.730.74100.75当满足: (3.12)时可达到设计要求。式中 板材的许用应力,Mpa; 板材的屈服极限,Mpa; 安全系数,对于塑性材料为1.31.8。将式(3.12)代入式(3.11)求得壳壁的厚度t:或者 (3.13)对于隔爆箱体,组成的四边简支板有三种尺寸(1)a=0.516,b=0.640;(2)a=0.64,b=0.648;(3)a=0.516,b=0.648(单位m)。材料选用Q235A,=160Mpa。(1)a=0.516,查表(3.2),利用插值法,取=0.4。则壳壁厚度:(2)a=0.64,查表(3.2),利用插值法,取=0.29。则壳壁厚度:(3)a=0.516,查表(3.2),利用插值法,取=0.42。则壳壁厚度:综合上诉三种简支板,取三种板厚的最大值,实际取板厚t=0.028m,即可满足上述要求。3.2.3 各面板的最大扰度和应力结果(1)底板和顶板尺寸为640X516X28(mm)设定为固支边界条件由式(3.6)可得板中心最大扰度为:=0.00126把式(3.8)板最大弯矩带入式(3.5)得到板固支边中点的最大应力:由弯矩公式(3.7)、(3.5),得到板中心点的最大应力:设定为简支边界条件由式(3.9)得到板中心点最大扰度:=0.00406由式(3.10)、(3.5)得到板中心点最大应力:(2)两个侧面板的尺寸为648516X28(mm)。由于基于简支的计算结果偏于保守,有利于结构安全,以下仅用简支边界条件进行计算。由式(3.9)简支边界条件下板中心最大扰度:=0.00406由式(3.10)、(3.5)得到板中心点最大应力:(3)门対板的尺寸为648X640X28(mm),由式(3.9)简支边界条件下板中心最大扰度:=0.00406由式(3.10)、(3.5)得到板中心点最大应力:(4)接线腔盖板尺寸605X450X28mm,由于盖板边界由螺钉与法兰连接,假定属于固支的边界条件,其中心最大扰度:=0.00126把式(3.8)板最大弯矩带入式(3.5)得到板固支边中点的最大应力:(5)箱门尺寸620X600X28mm,由于盖板边界由螺钉与法兰连接,假定属于固支的边界条件,其中心最大扰度:=0.00126把式(3.8)板最大弯矩带入式(3.5)得到板固支边中点的最大应力:3.2.4 门法兰和盖板法兰变形设计门面或盖板和法兰接合面在承受工况压力下,接合面部分的两个部分的弹性变形之和不不能超过许用的间隙。接合面宽度的最小值L和接合面间隙限定如表3.2。表3.2 接合面宽度的最小值L和接合面间隙的对应数据平面接合面和止口接合面宽度L(mm)与外壳容积V()对应的最大间隙(mm)安全系数为1.5时的允许间隙(mm)V100V1000.30.40.50.30.40.50.1330.2由表3.2,由于两种外壳L的数值都大于25mm,计算得到的允许最大间隙,也就是许用扰度f都是:(0.5-0.2)/1.5=0.2mm,不使用分配系数的情况下,分配到门和壳体法兰上各0.1,mm的允许变形量。根据所提供的设计要求,刚度条件是两者最大扰度之和应小于许用扰度f: (3.14)即,门许用扰度+箱体法兰的许用扰度(隔爆接合面的允许间隙-平面度公差A)/安全系数s。其中f是许用扰度,这里是隔爆接合面的最大间隙与平面度公差A的差值再比上安全系数s得到的,单位是m。S是安全系数,如上所述,取1.5。门法兰许用挠度与箱体法兰许用挠度不同,使用分配系数来区别其大小。从前面的计算可以看出实际取值的厚度接近许用厚度的最小值。实际工作中随着安全系数的取值不同。最小厚度也会有所变化,取用要依据实际情况决定。箱体法兰变形建立模型有多种方式,采用梁结构时,法兰简化为线,反映不出在法兰内外侧的变形不同。所以在这里按照板受力的模型计算。根据机械工程手册中的近似公式计算。箱体法兰板的边界条件为:两短边简支,一长边固定,一长边自由。计算变形使用最大挠度公式: (3.15)其中取0.12,t为法兰厚度。代入法兰尺寸计算法兰的变形结果如表2.3所示:表2.3法兰计算结果法兰宽度a(mm)法兰厚度t(mm)最大扰度(mm)门框法兰箱体法兰505028280.160.16接线腔法兰45200.29盖板法兰45200.293.2.5计算结果讨论首先,计算结果应用于实际时要加一定的安全系数,先讨论安全系数的选取。安全系数定义为最大应力。与实际许用应力的比值,即s=。由于本例属于简化模型,考虑的是以最薄处厚度进行计算,安全系数可以较小,取1.11.5;由于矿用隔爆型外壳属于低压容器,安全系数需要取较大,应取1.52。综合这两点可以取安全系数s为1.5。还可以依据实际情况和经验值选取安全系数。然后,考虑许用应力的选取,依据板的小挠度理论计算出板弯曲结果是偏于安全和浪费的。本例中所采用的Q235A钢的屈服极限240MPa。当屈服极限作为许用应力时,最大应力为,仍小于Q235A钢的强度极限,说明最大应力在强化阶段至破坏极限状态之间,尚未达到破坏极限。为了增加承载能力,技术要求在压力试验后需要产生永久塑性变形。说明平板受压下在材料的弹塑性区域活动,并且是安全的。3.3连接螺钉的强度及数量内六角圆柱头螺钉,也简称内六角螺栓,杯头螺丝,内六角螺钉, 其叫法不一样,但所代表的意思是一样的。内六角螺钉按螺丝线材的硬度,扛拉力,屈服强度等是有一个等级分类的,也就是内六角螺钉的级别,内六角螺钉是什么级别的。不同的 产品物料上,要求有不同等级的内六角螺钉与之相对应。内六角螺钉按等级强度有分为普通的和高强度的。普通的内六角螺 栓是指4.8级的,高强度的内六角螺钉是指8.8级以上的,包括10.9级 和12.9级的。12. 9级的内六角螺钉一般都是指带滚花的,本色的带油的 黑色内六角杯头螺丝。钢结构连接用内六角螺钉性能等级分3. 6、4. 6、4. 8、5. 6、6. 8、8. 8、 9.8、10.9、12. 9等10余个等级,其中8. 8级及以上螺钉材质为低碳合 金钢或中碳钢并经热处理(淬火、回火),通称为高强度螺钉,其余通称为普通螺钉。螺钉性能等级标号有两部分数字组成,分别表示螺钉材 料的公称抗拉强度值和屈强比值。本次设计所采用的螺钉为性能等级8.8的内六角圆柱螺钉,其抗拉强度为,屈服强度为。高强度螺钉在受剪和受拉两方面的性能都比较好。它在安装时通过拧入板的螺纹孔中,使钉身中出现很大的预紧拉应力,从而在被连接板间产生较大的摩擦力,靠这个摩擦力传递外力。采用45号钢制造螺钉,并经热处理,就是希望预紧力可以大些,因而摩擦力也可以大一些。选用恰当的螺钉直径并正确的布置螺钉,对于保证连接强度,求得经济效益和制作方便是至关重要的。箱体法兰与门法兰,接线腔法兰与盖板法兰使用螺钉联接,需要计算在受压下螺钉的强度。这里分析一下螺钉的直径和个数。若选用的螺钉直径太小,则所需要的个数太多,拆卸不方便,且预紧不好控制,容易造成受力不均匀;相反若选用的螺钉直径太大,则数量需求就少,间距就过大,对密封性有影响。由于矩形壳体是对称结构,适宜用偶数个螺钉,可以依据法兰总拉力均分在各个螺钉上。当超过螺钉许用拉力时就加一对螺钉,但当长度比接近1时螺钉向上取整时要取4的倍数为宜,以便长短边螺钉的间距相近。比较合理的螺钉间距l是螺钉公称直径的710倍,压力容器的密封在内压小于1.6MPa时取7倍,一般联结取10倍螺钉直径。由于工况为1MPa且要求方便拆卸,这里取间距为10倍螺钉公称直径,即当算出螺钉间距过小时,则选用大一规格的螺钉;同样,当算出螺钉间距过大时,则选用小一规格的螺钉。当最大间距接近10倍螺钉直径时,所选的螺钉直径、个数是比较合理的。这里先分析接线腔法兰的螺钉,接线腔法兰螺钉分布如图3.2所示图3.2 接线腔法兰示意图总受力是,根据机械工程手册,得到: (3.16)式中: 是预紧系数,在软垫片和静止载荷时取1.52.5,这里取1.5;是螺钉相对刚度系数,在盖板使用钢板和弹簧钢垫圈时取0.9;F受力面的实际总受力大小,由工况压力1MPa与受力面积乘积得到。在接线腔中,盖板受到的推力使盖板法兰和接线腔法兰的螺钉受拉。受力面积即为盖板的面积。接线腔盖:隔爆箱门:又根据许用应力=,是螺钉材料的屈服极限,按45号钢考虑,。根据机械工程手册,若不控制预紧力,安全系数将取25,使螺钉直径d过大。此处需要控制预紧力,其安全系数s可取1.21.5。这里取s=1.2。最后可以确定螺钉的许用应力=由此可以得到各螺钉的实际许用拉力:对于接线腔上盖板的受力面尺寸是605X450X28,得长宽比是1.34,螺钉个数可取7的倍数。在内压1Mpa下受到的总压力为:(1)若使用M8螺钉,需要螺钉个数n=F/43.4。取螺钉个数为44,布置方式可以为四角四个,水平边12个,竖直边8个,这样布置间距45X7X8=56mm,不合理,因此不采用。(2)使用M10螺钉,需要螺钉个数n=F/27.7.取螺钉个数为28,布置方式可以为四角四个,水平边7个,竖直边5个,这样布置间距65X7X10=70,不合理,因此不采用。(3)使用M12螺钉,需要螺钉个数n=F/17.7.取螺钉个数为20,布置方式可以为四角四个,水平边5个,竖直边3个,此时,水平间距115mm,竖直间距105,可采用,所以选用M12螺钉,取个数18。根据上述公式,同理可算出箱门上所需的螺钉个数。由于箱门与箱体的法兰之间还通过卡扣紧固,可以分担螺钉所受到的力,因此可以适当减小螺钉的个数。这里选用M8螺钉,取个数为46。3.4 优化方案设计通过上面的理论分析,可以发现,板的厚度与实物的厚度有一定的差距。在理论设计过程中,没有考虑加强筋对板的加固作用。因此,在优化设计中,可增加加强筋,并减小板的厚度。根据实物考察,可作出以下设计:在侧面板、后面板、箱门及盖板增加加强筋,作出两种厚度的板10mm和15mm,分析并比较不同厚度下的临界值,从中选取最优值。对于该设计可通过有限元分析来验证其可行性。由于各面板的形状趋于矩形,因此加强筋的布局以侧面板为例,采用如图3.3所示来布局。各面板采用相同的布局。图3.3 侧面板加强筋的分布图3.5 本章小结本章简单介绍了本论文研究的隔爆起动器外壳;根据小扰度理论,推算出了各个主要受力面板的理论尺寸;根据计算公式,对重要的零部件进行了扰度和应力的理论分析和设计;总结计算数值,对箱体进行了理论的优化设计。4 基于UG的隔爆箱体外壳的三维建模4.1 UG软件本课题采用UG对矿用隔爆兼本质安全型交流软起动器进行三维建模。UG是Unigraphics的缩写,这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统,它功能强大,可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站,但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长,在PC上的应用取得了迅猛的增长,已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。UG的开发始于1969年,它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域(自然科学或工程)、数学(分析和数值数学)及计算机科学的知识。然而,所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件的实现变得越来越复杂,以致于超出了一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程的技术,特别是自适应网格加密(adaptivemeshrefinement)和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究,同时随着计算机技术的巨大进展,特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能。UG的目标是用最新的数学技术,即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算,为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。来自SiemensPLM 的NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。 NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件,用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。如今制造业所面临的挑战是,通过产品开发的技术创新,在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新,必须评审更多的可选设计方案,而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。NX 是 UGS PLM 新一代数字化产品开发系统,它可以通过过程变更来驱动产品革新。NX 独特之处是其知识管理基础,它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识,根据已知准则来确认每一设计决策。NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上,这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率,削减成本,并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新, NX 的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具,把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用NX建模,工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状, 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。NX 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。NX 具有高性能的机械设计和制图功能,为制造设计提供了高性能和灵活性,以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具,具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。NX允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能,制造商可以改善产品质量,同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建,以及对变更周期的依赖。4.2 隔爆软起动器各箱体及组件隔爆软起动器由隔爆箱体,接线腔构成,有两个活动的面板箱门和盖板,共有2个矩形箱,两个箱体通过焊接成为一体,与箱门和盖板通过螺钉连接。主电缆全部采用快速接插联接器,防爆箱采用快开门结构。防爆箱采用快开门结构,具有完整的机械安全联锁机构和多重可靠的电气闭锁装置,具有较强的安全性能。需要打开防爆箱门时,向上抬起移门轴手柄,门随之抬起,然后以上下移门轴的轴线为轴向转动,通过固定的圆柱销将移门轴的转动,转化为滑动轴的水平向外移动,从而把门打开。这种结构适用于需要经常修理的设备上,省时省力,结构简单而可靠。防爆箱门开闭均应遵循安全操作顺序才能实现,否则无法开启或闭合。如图4.1 为快开门机构。图4.1快开门机构隔爆软起动器的总装图如图4.2所示图4.2 隔爆软起动器的总装图4.3 三维建模通过第三章的计算,得到箱体的壁厚,箱体法兰和门法兰的厚度,以及各个箱体的螺钉分布。由图4.2可以看出,防爆起动器的实际结构比较复杂,本章的三维建模是为下一章的有限元分析作准备,因此在建模前需要对防爆起动器进行结构简化。由于起动器的壳体零件比较简单,由多个矩形板组成,没有过多需要装配的零件,因此建模时不采用装配方法,直接从底层往上开始建模。先建立一个底座,底座对于防爆箱体的下面板起到了加强筋的作用,如图4.3为底座的三维模型。图4.3 简化壳体底座 图4.4 简化隔爆箱体面板对于起动器的隔爆箱,简化成由五个矩形面板组成的箱体,把侧面板上的铭牌、接线端子和拨盘等非重要部件略去,把各个面板当成一整块板。隔爆箱体面板的三维模型如图4.4所示。对隔爆箱的门面板也进行了简化,去掉观察窗和一些标志铭牌,同样也是去掉非关键部件,把门面板简化成一个矩形面板,加上门法兰和箱体法兰,其三维模型如图4.5所示。把接线腔和盖板也加上去,通过分析了隔爆软起动器的外壳实际结构,包括防爆箱门上的隔离观察窗、箱门开关手柄组件和进出线喇叭口等,比较复杂。简化掉一些附件,去掉观察窗,箱门开关手柄组件等,只保留基本的形状和各面板外形尺寸和厚度。最后简化后的壳体如图4.6所示。图4.5 简化隔爆箱体 图4.6简化后的箱体模型4.4 本章小结本章开头先简单介绍了三维软件UG的基本功能,对所要用到的三维软件有了一定的了解;其次根据二维装配图介绍了隔爆起动器的整体结构,对需要简化的部件进行了分析;最后用UG软件对简化模型进行建模,以便之后Workbench的分析提供模型。5 隔爆软起动器的有限元分析5.1 有限元简介有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态特性等问题的数值解法。在机械结构的动力学分析中,利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模型,进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应(包括响应位移和响应应力)。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点,所以在短短50多年间已广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域,己成为现代机械产品设计中的一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档计算机和计算机工作站的逐步普及,现在己有许多著名的有限元程序(如ANSYS、ANDIA、NASTRAN、SAP等)可用,从而为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造了更为良好的条件,并将展示出更为广阔的工程应用前景。有限元法的基本思路是:a、把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元,这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述特性参数在其中的分布,这一步骤称为离散。b、通过对单元的研究来建立各特性参数之间的关系方程,这一过程称为单元分析。在弹性力学中,单元分析的任务是:建立联系应变与节点位移分量的方程,联系应力与节点位移分量的方程,同时研究单元的节点力与节点位移之间的关系,以及把作用在单元中间的外载荷转化成节点载荷。c、在单元分析基础上,利用平衡条件和连续条件,将各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析,从而得到整体的参数关系方程组,即矩阵方程。这一过程称为整体分析。d、解这样的矩阵方程,即可得到各种参数在整体结构中的分布。5.2 ANSYS简介ANSYS(Analysi system)是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件,可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利,以及日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统(如Windows、UNIX、Linux、IRIx和HP-UX)中运行。从PC到工作站,直至巨型计算机,ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS的第一个集成计算机流体动力学(CFD)功能是第一个,也是唯一一个包括多物理场分析功能的软件。5.2.1技术特点ANSYS的技术特点如下:可实现多场及多场祸合功能;是实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型FEA软件;是具有流场优化功能的CFD软件;融前后处理与分析求解于一体;强大的非线性分析功能;快速求解器;最早采用并行计算技术的FEA软件;支持从个人机、工作站到巨型机的所有硬件平台;可兼容个人机、工作站、大型机机巨型机等硬件平台上的全部数据文件;在个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上具有统一的用户界面;可与大多数的CAD软件集成并有接口;具有智能网格划分;具有多层次多框架的产品系列;具有良好的用户开发环境。5.2.2 ANSYS Workbench平台ANSYS Workbench是基于ANSYS软件的另外一个平台。ANSYS公司推出了ANSYS经典版(Mechanical APDL)和ANSYS Workbench版两个版本。ANSYS Workbench的目标是,通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施,搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE技术的仿真系统。以产品数据管理PDM为核心,组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队,基于产品数字虚拟样机,实现产品研制的并行仿真和异地仿真。所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作,各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。基于Workbench的仿真环境有三点与传统仿真环境有所不同:客户化:Workbench像PDM那样,利用与仿真相关的API,根据用户的产品研发流程特点开发实施形成仿真环境,而且用户自主开发的API与ANSYS 已有的API平等。这一特点也称为“实施性”;集成性:Workbench把求解器看作一个组件,不论由哪个CAE公司提供的求解器都是平等的,在Workbench中经过简单开发都可直接调用;参数化:Workbench对CAD系统的关系不同寻常。它不仅直接使用异构CAD系统的模型,而且建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系。与ANSYS经典版相比,Workbench更容易让初学者接受,操作比较简便,对于本课题所需要的分析操作更简单化。因此本课题对箱体的分析都基于Workbench平台下来完成的。如图5.1所示。图5.1 Workbench操作界面5.3 隔爆软起动器的有限元建模5.3.1 几何建模几何模型对于Workbench来说是非常重要的,因为几何模型是一切后续工作的基础,有限元模型的建立是以良好的几何模型为基础的,而且几何模型也可以使使用者直观地面对所要做的对象,形象生动。只有良好的几何模型才能使建立有限元模型的过程顺利进行(便于有限元网格的划分、材料和物理特性的定义和边界条件的施加等)。虽然Workbench中带有几何建模功能,但与专业的CAD软件相比仍有一定的差距,因此本课题中几何模型仍采用前文中由UG建立的模型。前面己经将防爆起动器的结构进行了简化,并做出了三维模型,如图4.3所示将模型保存为*.iges格式,以便在Workbench中打开。5.3.2 材料的设置材料是实际结构承载体,任何实体都由各种材料构成。但在分析中,则是通过模量、强度、本构关系等参数,以数值的形式来描述一种材料,所以材料也可以叫做材料模型。在Workbench中,集成多种材料的参数,可以直接对三维模型定义所用的材料属性。如图5.2所示设置Q235基本参数。隔爆软起动器箱体所用的材料为碳钢Q235A,其屈服强度,弹性模量E=2.06X,泊松比=0.3,密度7800kg/。图5.2 材料类型参数设置界面5.3.3 网格划分进行网格划分涉及到单元形状及其拓扑类型、网格生成器的选择、网格密度的控制以及相关的几何体。Workbench中有限元网格的生成方法中最常用的是直接生成法。直接生成有限元网格就是根据选定的单元形式和拓扑类型及选定的网格生成器和控制参数,对曲线,曲面和实体进行网格划分。当这些参数都选定之后,Workbench就会自动进行网格划分。如图5.3所示,为起动器的隔爆箱的网格划分结果。图5.3隔爆箱体的网格划分5.3.4 静力分析静力分析计算是在固定不变的载荷作用下产生的效应。它不考虑惯性和阻尼的影响,如载荷随时间变化的情况。可是,静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响,以及那些可以近似为等价静力作用的载荷。以隔爆箱体为例,在Workbench中,固定约束定义在模型中箱体的法兰面;同时,选择箱体内部的各个面受1MPa的均布载荷。对约束及载荷完毕之后进入分析部分。Workbench平台中可选择显示所需要的分析目标。在本课题中,需要对起动器分析出在试验压力下关键部位的安全系数、位移及应力变化情况,如图5.4所示,设置求解参数为变形量(Total Deformation),应力值(Equivalent Stress),安全系数(Safety Factor)。Workbench分析时提供两种后处理器:通用后处理器和时间历程后处理器。这两个后处理器都是用于分析结果文件中的结果数据。在求解时,求解过程是按照时间或频率顺序进行的,并根据载荷变化方式划分为不同的载荷步与子步,对应的结果数据信息也是按照同样的顺序和方式进行存储的。图5.4 求解参数列表5.4 分析结果对前面得出的理论尺寸及优化尺寸进行分析。通过对比,来验证优化设计的合理性。5.4.1隔爆箱体的静力分析对隔爆箱体进行整体分析,不同设计下,所得到的结果如图5.5所示,这里只列出理论和板厚为10mm的箱体的分析云图。(1)理论箱体位移云图(2)理论箱体应力云图(3)理论箱体安全系数(4)10mm板厚箱体位移云图(5)10mm板厚箱体应力云图(6)10mm板厚箱体安全系数图5.5 不同板厚的箱体分析比较通过了有限元分析,对箱体进行了分析后得出了以下结果:对于理论尺寸,其位移和应力值最大的分别为0.309mm和73.554MPa。可以发现,有限元分析结果与理论计算的结果基本一样,但其数值都非常小。对于优化的尺寸,虽然对各个面板进行了减薄,但是增加了加强筋,起到稳定箱体的作用。对于板厚为15mm的箱体,其位移和应力值最大的分别为1.081mm和353.3MPa,分别位于后面板的中点上和横向加强筋的连接处。在数值上,虽然比理论的大了不少,但其位移系数在GB3836.2-2010所要求的安全范围内,但最大应力值也在材料的承受范围内。但是各面板还是比较厚的,可以继续进行优化。对于板厚为10mm的箱体,其位移和应力值最大的分别为3.406mm和642.61MPa,分别位于后面板的中点上和横向加强筋的连接处。位移系数达到GB3836.2-2010所要求的安全范围内,但其应力系数却超出了材料的承受范围。由于最大应力系数集中在加强筋上,各面板的应力还是比较小的,可对加强筋进一步优化。通过对整体箱体进行分析,可以发现后面板承受较大的压力,取后面板出来单独分析,以10mm的板厚为例,如图5.6所示。其分析结果与整体分析的结果大了不少,分别为位移和应力值最大的分别为5.423mm和650.32MPa。由于Workbench静力分析需要约束条件,单独板和整体分析约束的条件不一样,因此再对各面板进行单独分析,有助于最后的优化。(1)位移云图(2)应力云图(3)安全系数图5.6 后面板分析云图5.4.2 门扣的静力分析门扣直接采用所给定的尺寸,没有进行优化设计对比,这里只对一个门扣进行有限元的分析,如图5.7所示。可以发现位移最大值为0.009mm,集中在卡扣的顶端;最大应力为9.761MPa,分布在法兰的接触面上。根据分析结果其应力和位移的最大值都在允许范围内。(1)门扣位移云图(2)门扣应力云图(3)门扣安全系数图5.7 门扣分析5.4.3门面板的静力分析门面板简化成一个平面板,由于空间需要,与门法兰有一段距离。门面板的有限元分析云图如图5.8所示。最大位移都集中在面板的中心,最大应力也是在加强筋的边上。对于不同板厚尺寸的分析结果,如表5-1所示。厚度为10mm的门面板的位移和应力系数都符合GB3836.2-2010和材料的要求。想要进一步减少应力值可以对加强筋进行优化。(1)门面板位移云图(2)门面板应力云图(3)门面板安全系数云图图5.8 门面板分析5.4.4法兰的静力分析箱门法兰上面有螺钉连接,更加强其安全系数,分析结果如图5.9所示。其最大位移和应力分别为0.021mm和97.635MPa。最大位移分布在法兰的内侧,最大应力集中在螺钉孔上。就数值而言,都符合GB3836.2-2010和材料的要求。(1)箱门法兰位移云图(2)箱门法兰应力云图(3)箱门法兰安全系数云图图5.9 箱门法兰分析与箱门法兰相同,接线腔上的法兰也是有螺钉连接,接线腔法兰面积比门法兰的小,螺钉布置就比较少。最大位移和应力分别为0.008mm和65.292MPa。最大位移分布在法兰的内侧,最大应力集中在螺钉孔上。通过对各关键部位部件进行有限元分析,列出如下表5-1。各关键部位不同厚度尺寸的位移和应力。表5-1 各关键部位不同厚度尺寸的位移和应力最大变形量(mm)最大应力(MPa)整体隔爆箱10mm整体隔爆箱15mm整体隔爆箱28mm侧面板10mm侧面板15mm侧面板28mm后面板10mm后面板15mm后面板28mm门面板10mm门面板15mm门面板28mm接线腔法兰门法兰门扣3.4061.0810.3092.6730.9700.3355.4231.8120.5222.5741.3860.3530.0080.0210.009642.61353.373.554745.86281.8997.021650.32248.8594.594422.41270.7662.48865.29297.6359.7615.5 结果分析与优化通过Workbench软件对各部件进行了分析,其数据如表4.2所示。与前面的计算及GB3836.2-2010各项标准进行了比较后,门法兰、接线腔法兰和门扣都符合要求,可以安全使用。但是对于各面板有10mm厚度的隔爆箱,其数值超过了安全标准,应该对其进行进一步优化。通过与板厚为15mm的
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