軟起動(dòng)隔爆箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算【說明書+CAD+UG】

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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 錄 1 緒論 1 1.1 課題的提出 1 1.2 本課題研究的主要內(nèi)容及意義 2 2 礦用隔爆電器設(shè)備殼體隔爆要求 3 2.1 爆炸性電氣設(shè)備的分類 3 2.2 隔爆型電氣設(shè)備的主要功能 3 2.3 隔爆箱的隔爆原理 4 2.4 外殼的變形允許值 4 2.5 本章小結(jié) 5 3 殼體強(qiáng)度剛度的理論計(jì)算 6 3.1 隔爆外殼設(shè)計(jì)概述 6 3.2 箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 7 3.2.1 彈塑性力學(xué)的理論公式 7 3.2.2 殼體壁厚的設(shè)計(jì) 9 3.2.3 各面板的最大擾度和應(yīng)力結(jié)果 10 3.2.4 門法蘭和蓋板法蘭變形設(shè)計(jì) 12 3.2.5 計(jì)算結(jié)果討論 13 3.3 連接螺釘?shù)膹?qiáng)度及數(shù)量 13 3.4 優(yōu)化方案設(shè)計(jì) 16 3.5 本章小結(jié) 16 4 基于UG的隔爆箱體外殼的三維建模 17 4.1 UG軟件 17 4.2 隔爆軟起動(dòng)器各箱體及組件 18 4.3 三維建模 19 4.4 本章小結(jié) 20 5 隔爆軟起動(dòng)器的有限元分析 21 5.1 有限元簡介 21 5.2 ANSYS簡介 21 5.2.1 技術(shù)特點(diǎn) 22 5.2.2 ANSYS Workbench平臺(tái) 22 5.3 隔爆軟起動(dòng)器的有限元建模 23 5.3.1 幾何建模 23 5.3.2 材料的設(shè)置 23 5.3.3 網(wǎng)格劃分 24 5.3.4 靜力分析 25 5.4 分析結(jié)果 25 5.4.1 隔爆箱體的靜力分析 25 5.4.2 門扣的靜力分析 29 5.4.3 門面板的靜力分析 30 5.4.4 法蘭的靜力分析 31 5.5 結(jié)果分析與優(yōu)化 32 5.6 本章小結(jié) 34 6 結(jié)論 35 謝 辭 36 參考文獻(xiàn) 37 V 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書用紙 第46頁 共37頁 1 緒論 目前，用于煤礦井下爆炸性氣體環(huán)境中的控制箱類型主要有本安型“i”、隔爆型“d”和增安型“e”等，隔爆型控制箱在應(yīng)用中使用較為廣泛。本論文涉及的隔爆起動(dòng)器箱體主要由隔爆殼體、接線腔、內(nèi)部連接件、引入裝置、箱門、腔蓋和螺釘?shù)冉M成，還要有專門的箱門和透明件給有觀察器件或者頻繁開箱檢測的箱體做準(zhǔn)備。礦用隔爆型控制箱主要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836. 2-2010《爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備第2部分，隔爆型d》和GB3836.1-2010《爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分， 通用要求》設(shè)計(jì)與制造的。本論文對(duì)隔爆原理、防爆起動(dòng)器的殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化作了介紹。 1.1 課題的提出 石化工業(yè)及煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，提高了人類的工業(yè)水平及生活水平的，不過也會(huì)帶來悲慘的爆炸災(zāi)害，在這些工業(yè)發(fā)展的初期，超過一半的爆炸事故是由電氣設(shè)備的電火花，電弧產(chǎn)生的高溫引起的。 礦用隔爆型起動(dòng)器設(shè)備主要用于有煤塵和甲烷混合氣體等有爆炸可能的礦井下。箱體要求可以承受住通過結(jié)構(gòu)間隙或外殼任何接合面滲透到外殼內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部發(fā)生的爆炸，而不會(huì)點(diǎn)燃外部的爆炸性氣體。在有瓦斯環(huán)境中的煤礦井下的動(dòng)力設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、開關(guān)和控制設(shè)備等，因?yàn)榛鸹ɑ蚱渌鹿蕰?huì)引起瓦斯爆炸，為了避免這種危險(xiǎn)，需要把設(shè)備設(shè)計(jì)成有防爆結(jié)構(gòu)的特殊外殼，使其具有耐爆性和不傳爆性。 隔爆型設(shè)備需要進(jìn)行防爆試驗(yàn)（主要有隔爆性能試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)），設(shè)計(jì)要滿足產(chǎn)品外殼一定的強(qiáng)度和剛度。以前國內(nèi)設(shè)計(jì)隔爆電箱體時(shí)，大多采用類比法或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、計(jì)算，在試制樣機(jī)時(shí)如果隔爆外殼通過水壓試驗(yàn)則合格，否則需增加外殼上強(qiáng)度或剛度薄弱的部分，然后再通過樣機(jī)試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求。 隨著工業(yè)科技的迅速發(fā)展，礦用電器設(shè)備技術(shù)也不斷獲得進(jìn)展，在煤礦得到廣泛應(yīng)用的殼類電器開關(guān)出現(xiàn)了從低壓（660V）向高壓大容量（1140V，6KV）升級(jí)的發(fā)展趨勢。根據(jù)這種需要，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中雖有一些理論分析，但并未對(duì)其進(jìn)行理論研究，諸如根據(jù)隔爆電氣設(shè)備箱體壁厚的理論計(jì)算，有限元分析驗(yàn)算等。并且在設(shè)計(jì)中，隨著殼體的大小不同，多次重復(fù)的進(jìn)行相同或相似的繪圖，增加了設(shè)計(jì)時(shí)間、影響了出圖效率。為了確保隔爆設(shè)備的設(shè)計(jì)科學(xué)、可靠、經(jīng)濟(jì)及合理，在保證用于爆炸性氣體環(huán)境安全的情況下，利用彈塑性力學(xué)將殼體的板壁抽象成力學(xué)模型，計(jì)算各部分的壁厚，螺釘?shù)姆峙?，并運(yùn)用有限元法對(duì)隔爆進(jìn)行靜力學(xué)分析，檢驗(yàn)其強(qiáng)度和剛度是否滿足要求，利用結(jié)果指導(dǎo)其箱體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。對(duì)提高隔爆電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)技術(shù)水平、快速響應(yīng)市場、降低成本具有十分重要的意義[4]。  1.2本課題研究的主要內(nèi)容及意義 近年來，對(duì)隔爆箱體已進(jìn)行了許多方面的分析，包括：隔爆外殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)，對(duì)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，殼體形狀的探討，對(duì)箱體法蘭和螺釘聯(lián)接強(qiáng)度的校核等。盡管經(jīng)過了這些分析，但是所選用的方法主要選用傳統(tǒng)的方法，只用原有的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)來選擇和調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，只能構(gòu)造得比較簡單的計(jì)算模型，與實(shí)際的結(jié)構(gòu)形狀變化很大，因此，計(jì)算精度較低，要使結(jié)構(gòu)能安全可靠地運(yùn)行，通常的采用提高安全系數(shù)，使其結(jié)構(gòu)尺寸加大，浪費(fèi)結(jié)構(gòu)材料，設(shè)計(jì)周期大大增加，并且很難使許多設(shè)計(jì)參數(shù)得到正確的選擇。由此設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)，一般達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但在材料使用、結(jié)構(gòu)形式等方面有著不經(jīng)濟(jì)和不合理性，結(jié)構(gòu)的綜合性能往往不能達(dá)到理想狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員對(duì)實(shí)際應(yīng)變、位移和應(yīng)力情況沒有一定的了解，不能得出其薄弱環(huán)節(jié)的位置，更談不上進(jìn)行設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 現(xiàn)代設(shè)備正朝著高速、高精度、高效、低成本、節(jié)省資源和高性能等方面的發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)算方法一般都無法滿足要求。所以要滿足這種需求，需要想出另外更好的方法。近年來興起的有限元分析方法，它有計(jì)算精度高、速度快和顯示直觀可靠等特點(diǎn)。因此通過ANSYS軟件的支撐下，對(duì)防爆起動(dòng)器箱體進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析，校驗(yàn)它的強(qiáng)度和剛度有沒有滿足要求，可以提高起動(dòng)器殼體，和隔爆電氣設(shè)備殼體的設(shè)計(jì)的技術(shù)水平，并降低成本有著十分重要的意義[7]。 本課題利用防爆電器在設(shè)計(jì)過程中所暴露出來的問題，考慮到防爆電器行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，以礦用隔爆兼本質(zhì)安全交流軟起動(dòng)器（以下簡稱隔爆起動(dòng)器），型號(hào)為QJR-400/1140（660）的外殼為研究對(duì)象，作出了以下的工作： （l）嘗試使用彈塑性力學(xué)理論對(duì)起動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)小擾度理論，計(jì)算出各個(gè)面板的理論厚度以及法蘭的尺寸。利用受壓狀態(tài)下螺釘?shù)氖芰δＰ?，?jì)算出法蘭面螺釘?shù)囊?guī)格、數(shù)量和螺釘間距。在理論計(jì)算基礎(chǔ)上，提出對(duì)箱體改進(jìn)的方案。 （2）在二維CAD圖的基礎(chǔ)上，簡化起動(dòng)器殼體，利用UG建立出計(jì)算結(jié)果的模型設(shè)計(jì)，以及箱體的總裝模型，給ANSYS有限元分析提供三維模型。 （3）在ANSYS環(huán)境下，對(duì)防爆起動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)壓力的模擬，對(duì)防爆起動(dòng)器箱體及其關(guān)鍵部位進(jìn)行了應(yīng)力與位移的分析；再根據(jù)有限元分析的結(jié)果，對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)，例如加強(qiáng)筋的布置、箱體的壁厚等，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。  2 礦用隔爆電器設(shè)備殼體隔爆要求 在有爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中使用的電氣設(shè)備稱之為防爆電器，防爆電器設(shè)備是具有防爆外殼的電氣設(shè)備，當(dāng)設(shè)備外殼內(nèi)部發(fā)生可燃性混合物爆炸時(shí)，外殼不被破壞，并且不會(huì)使殼外可燃性混合物發(fā)生燃燒和爆炸的電氣設(shè)備?？煞譃閮纱箢悾? Ⅰ類 煤礦井下用電氣設(shè)備； Ⅱ類 工廠用電氣設(shè)備。 礦井中，在正常情況下，除了甲烷外等其他可燃性氣體時(shí)，電氣設(shè)備必須根據(jù)Ⅰ類和Ⅱ類的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制造。煤礦經(jīng)常使用的是隔爆型與本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。Ⅱ類電氣設(shè)備，按其適用于爆炸性氣體混合物最大試驗(yàn)安全間隙或最小點(diǎn)燃電流比分為A、B、C三級(jí)，按其最高表面溫度分為Tl～6六組。對(duì)防爆電氣設(shè)備的技術(shù)要求都要符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.2—2010。 2.1 爆炸性電氣設(shè)備的分類 在爆炸危險(xiǎn)場所使用的防爆設(shè)備也根據(jù)需求劃分成類、級(jí)或組別，以便與使用的場所相對(duì)應(yīng)，有利于對(duì)號(hào)選用。劃分的方法和場所是相同的，煤礦用設(shè)備表示為Ⅰ類；工廠用設(shè)備表示為Ⅱ類，Ⅱ類設(shè)備中還劃分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三級(jí)與Tl～T6六個(gè)組別。 防爆電氣設(shè)備在粉塵場所使用時(shí)，依據(jù)電氣設(shè)備的外殼的防護(hù)能力可以分為兩個(gè)等級(jí)如表2-1所示： 表2-1 電器設(shè)備防護(hù)能力 等級(jí) 結(jié)構(gòu) 防護(hù)能力 使用區(qū)域 DT級(jí) 塵密結(jié)構(gòu)型 IP6X， 10區(qū)； DP級(jí) 防塵結(jié)構(gòu)型 IP5X， 11區(qū)存在有非導(dǎo)電粉塵的地方。 2.2 隔爆型電氣設(shè)備的主要功能 防止故障狀態(tài)下或正常工作時(shí)的設(shè)備可能出現(xiàn)電火花，需將它們放入一個(gè)或分放在幾個(gè)隔爆箱體中。有隔爆性能是隔爆型電氣設(shè)備的基礎(chǔ)功能，并且它還要有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在各個(gè)零部件之間的連接中也需要有一定的結(jié)構(gòu)尺寸。當(dāng)殼內(nèi)部的電火花、電弧引爆了從外部環(huán)境中進(jìn)入殼內(nèi)的爆炸性甲烷等空氣的混合物時(shí)，應(yīng)該使外殼不會(huì)被爆炸，防止破壞殼體破壞和不會(huì)引爆殼外的甲烷等混合物氣體。 GB 3836.2-2010對(duì)隔爆型電氣設(shè)備的外殼、間隙、接合面和壓力重疊等多個(gè)技術(shù)參數(shù)都做了詳細(xì)的規(guī)定。經(jīng)過實(shí)踐論證，按照防爆電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求，并能防止電火花引起爆炸事故。 2.3 隔爆箱的隔爆原理 把礦用電氣設(shè)備的帶電部件放入特制的隔爆箱的箱體內(nèi)，該箱體擁有將箱體內(nèi)部由于少許電氣部件發(fā)出的火花或電弧并與箱體外部四周的爆炸性氣體粉塵等阻隔開來或不足以引燃和引爆的功用，并且能經(jīng)受起經(jīng)受箱體的各個(gè)接觸面或間隙進(jìn)入殼體內(nèi)部的爆炸性介質(zhì)被殼體內(nèi)部電氣設(shè)備引起的火花、電弧引起爆時(shí)所產(chǎn)生的爆炸壓力，以便不使箱體被損壞；并且能同時(shí)能阻止箱體內(nèi)部氣體爆炸的生成物向箱體外的爆炸性介質(zhì)傳播。就可以根據(jù)上述的原理來設(shè)計(jì)隔爆型電氣設(shè)備。大部分都釆用鋼板焊接式結(jié)構(gòu)或鑄鐵來構(gòu)成隔爆型電氣設(shè)備的外殼。一般在隔爆型箱體的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮的因素包括強(qiáng)度和剛度。過去，隔爆箱的箱體進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)時(shí)，一般釆用的是經(jīng)驗(yàn)法和類比法，即依據(jù)已經(jīng)通過的水壓試驗(yàn)并獲得經(jīng)過認(rèn)證的定型產(chǎn)品，在了解已有定型產(chǎn)品所釆用的材料、板厚、法蘭形式、外形形式等已知條件下進(jìn)行比對(duì)、依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)中的依據(jù)并不夠充分。 2.4外殼的變形允許值 靜壓試驗(yàn)時(shí)外殼產(chǎn)生塑性和彈性變形，特別是體積較大的外殼在試驗(yàn)時(shí)都要產(chǎn)生永久塑性變形。如果在出廠試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，隔爆接合面的變形將造成隔爆接合面間隙超過允許值，造成外殼不合格。國內(nèi)企業(yè)一般是在半精加工后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，然后進(jìn)行精加工，消除壓力試驗(yàn)產(chǎn)生的永久塑性變形。因此隔爆接合面只允許彈性變形，不允許有永久塑性變形，保證精加工后（一次切削）達(dá)到粗糙度和平面度要求為準(zhǔn)。GB3836.2-2010第16.3條規(guī)定：壓力試驗(yàn)后，如果外殼無結(jié)構(gòu)損壞或可能影響隔爆性能的永久變形，則認(rèn)為試驗(yàn)合格。試驗(yàn)后，隔爆接合面如果產(chǎn)生永久性塑性變形或彈性變形超過規(guī)定值，將影響隔爆性能；如果其它側(cè)面產(chǎn)生彈性變形或塑性變形，不會(huì)影響隔爆性能。因此隔爆接合面（蓋板和法蘭）是隔爆外殼強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵。對(duì)其它側(cè)面的變形只要不影響外觀，允許有一定的塑性變形，否則需要增加壁厚或加強(qiáng)筋，這樣充分利用材料的強(qiáng)度，減輕產(chǎn)品的重量，降低成本。 在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)按以下要求作為依據(jù)。 （1） 除隔爆接合面外，隔爆外殼側(cè)面的永久塑性變形允許值，初步確定為該面最大尺寸（長或?qū)挼淖畲笾担┑?%，該值以后可以調(diào)整； （2） 隔爆外殼隔爆接合面,即箱體法蘭和蓋板只允許彈性變形，不允許有永久塑性變形。 兩者最大撓度之和應(yīng)該小于許用撓度[f]： （2.1） 即：蓋板許用撓度+箱體法蘭的許用撓度≤（隔爆接合面的允許間隙W-平面度公差B）/安全系數(shù)s[11] 因此，在本論文中，根據(jù)礦用隔爆起動(dòng)器結(jié)構(gòu)作為例子，在采用經(jīng)驗(yàn)和類比法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，再用UG三維軟件對(duì)隔爆箱的箱體進(jìn)行三維模型建造，利用ANSYS軟件來對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力，位移，變形和安全系數(shù)來進(jìn)行分析，并根據(jù)分析出的結(jié)果對(duì)箱體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后得出既符合強(qiáng)度、剛度又減少材料的使用和環(huán)保的具體要求的箱體具體結(jié)構(gòu)尺寸。 2.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了隔爆起動(dòng)器設(shè)備的概念和分類，爆炸性電器設(shè)備的分類、分級(jí)與分組，講述了防爆箱體的類型和防爆原理，對(duì)外殼變形的允許值進(jìn)行了解釋，以便為接下來的設(shè)計(jì)提供思路。  3 殼體強(qiáng)度剛度的理論計(jì)算 3.1 隔爆外殼設(shè)計(jì)概述 礦用隔爆型電氣設(shè)備的隔爆性能是通過隔爆外殼來實(shí)現(xiàn)的。目前隔爆外殼就其外形來說可分為兩大類，一是圓柱體，二是長方體。礦井下爆炸產(chǎn)生的壓力是隨著容器形狀的不同而改變，也隨著外形散熱面積的增大而使爆炸壓力下降。試驗(yàn)證明，在相同容積，不同形狀的容器內(nèi)進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，其爆炸壓力是不同的，見表3-1。其中球體容積的爆炸壓力最大，長方體容器的爆炸壓力最小。又因?yàn)殚L方體外殼內(nèi)腔安裝機(jī)械和電氣零部件方便，同時(shí)又能充分利用殼體的內(nèi)腔空間。所以，長方體外殼越來越受設(shè)計(jì)者和使用者的歡迎，較廣泛的應(yīng)用在大、中型開關(guān)及其它隔爆型電氣設(shè)備上，如6kV隔爆型高壓開關(guān)、礦用隔爆型移動(dòng)變電站用高壓真空配電裝置、礦用隔爆型低壓保護(hù)箱等。 表3-1 不同外形的容器爆炸試驗(yàn)產(chǎn)生的壓力表 容積形狀 球體 正方體 圓柱體 長方體 爆炸壓力 7.25 6.2 5.6 5.2 進(jìn)行靜力試驗(yàn)時(shí)，隔爆外殼要承受1MPa的試驗(yàn)壓力，因此必須具有足夠的強(qiáng)度和剛性。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[12] 本課題是以型號(hào)為QJR-400/1140（660）的礦用隔爆起動(dòng)器作為研究對(duì)象，其中所涉及到的外形尺寸都是依據(jù)該起動(dòng)器來選取的。計(jì)算其箱體受力后的應(yīng)力和應(yīng)變。外形圖如圖3.1所示。 圖3.1礦用隔爆兼本質(zhì)安全交流軟起動(dòng)器外形圖 長方體隔爆外殼是由鋼板焊接而成的六面體結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)于體積較大的外殼，因受力大，所用鋼板必然較厚，使殼體笨重，成本增加。為了減少板厚、降低殼體重量和成本，一般均采用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。對(duì)有加強(qiáng)筋的長方體外殼，其受力情況較圓柱體外殼復(fù)雜得多，需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。以往的設(shè)計(jì)停留在類比法，靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)該外殼，設(shè)計(jì)者心中往往無數(shù)，在水壓試驗(yàn)或隔爆性能試驗(yàn)時(shí)常常發(fā)生問題，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)又延誤了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間。因此，有加強(qiáng)筋的隔爆外殼的設(shè)計(jì)必須建立在科學(xué)可靠的基礎(chǔ)上。本章將彈塑性力學(xué)以及材料力學(xué)的計(jì)算方法引入隔爆外殼的設(shè)計(jì)計(jì)算中，以期使隔爆外殼的設(shè)計(jì)更為科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)以及可靠[13] 3.2 箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 彈塑性力學(xué)的理論公式 由兩個(gè)平行平面和垂直于平面的柱面所組成的結(jié)構(gòu)，其平面間的距離遠(yuǎn)小于平面本身的尺寸（如長度、寬度或直徑）時(shí)，該結(jié)構(gòu)稱為薄板。若板的厚度用h表示，與上、下表面等距離的平面稱為中面，且中面的特征尺寸（如邊長或直徑）為l，則h/l小于1/5時(shí)，可以按薄板計(jì)算。 作用于板上的載荷，一般可分為沿中面及垂直于中面的兩部分，前者按平面應(yīng)力問題處理，而后者則是薄板彎曲理論所研究的內(nèi)容。在側(cè)向載荷的作用下，薄板將產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)板的最大彎曲撓度。遠(yuǎn)小于板的厚度h時(shí)，稱為小撓度問題。 對(duì)于薄板的彎曲小撓度理論做了以下基本假設(shè)：垂直于板厚方向的變形（撓度）遠(yuǎn)小于板的邊長。取中面為厚度t=0的面，參考圖3.2[14] 圖3.2薄板小撓度理論假設(shè)條件 （l）變形前與中面垂直的直線，變形后仍是垂直于其中面的直線，且線段長度保持不變。此假設(shè)即為直法線假設(shè)。 （2）薄板中面內(nèi)各點(diǎn)沒有平行于中面的位移，即中面內(nèi)任意一點(diǎn)沿x方向及y方向的位移=0以及=0，而且只有沿中面法線方向的撓度，在忽略撓度沿板厚的變化時(shí)，可認(rèn)為在同一厚度的各點(diǎn)的撓度相同，都等于中面的撓度。 （3）應(yīng)力分量，，，遠(yuǎn)小于其他三個(gè)應(yīng)力分量，，，并取=0，即平行于板中面的各層互不擠壓。 由第一個(gè)假設(shè)可知，，即，薄板的撓度有ω=ω（x，y），又由=，即 （3.1） 積分上式，得 （3.2） 考慮到假設(shè)（2），即，因此，上式成為 （3.3） 基于這三點(diǎn)假設(shè)，應(yīng)用幾何方程將各個(gè)形變分量用位移ω表示；再將物理方程代入形變分量，就可以用ω表示各個(gè)應(yīng)力分量，，再利用平衡方程，就可以得到薄板的彈性曲面微分方程： D（）= （3.4） 其中D=是板的彎曲剛度，E是彈性模量，h是板的厚度，μ是泊松比，是單位面積內(nèi)的橫向載荷。 參考圖（3.2），板在彎曲時(shí)應(yīng)力與彎矩的關(guān)系： （3.5） 是繞Y軸的彎矩。 應(yīng)用上述公式，通過計(jì)算可以得到： （1）四邊固定支撐的矩形板的最大撓度出現(xiàn)在板的中心位置，大小為： ω=0.00126 （3.6） a是短邊長度，結(jié)果與長邊長度b無關(guān)。 最大應(yīng)力數(shù)值發(fā)生在板的上下表面上的固支邊長邊的中點(diǎn)。當(dāng)泊松比μ取0.3時(shí)，中心彎矩和邊界中點(diǎn)的最大彎矩分別為： （3.7） （3.8） 負(fù)號(hào)指以上兩者是反向的。 （2）四邊簡支的矩形板的中心撓度為： ω=0.00406 （3.9） 最大彎矩發(fā)生在板的中心點(diǎn)，其值為： （3.10） 通過上面應(yīng)力與彎矩的關(guān)系式，可以解得最大應(yīng)力。 3.2.2殼體壁厚的設(shè)計(jì) 外殼殼壁分別焊接在由主向梁和交叉梁組成的網(wǎng)格上，且設(shè)定兩方向梁有足夠的強(qiáng)度。因此，可將殼體壁板每面的平板化小，即由兩向梁組成的長方格作為支撐，來校核網(wǎng)格內(nèi)平板的強(qiáng)度。此長方格內(nèi)平板受力模型可簡化為四邊簡支，受均布載荷（設(shè)計(jì)壓力）作用，如圖3.5所示 根據(jù)彈性小擾度理論，四邊簡支板的最大應(yīng)力在板中央，即[12] （3.11） 式中 α—應(yīng)力系數(shù)（見表3-2）； q—設(shè)計(jì)壓力，1Mpa； a—矩形板短邊長度，m； t—矩形板厚度，m。 圖3.5 殼壁受力圖 表3-2 應(yīng)力系數(shù) b/a 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 α 0.2874 0.3756 0.4872 0.5688 0.6102 b/a 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 α 0.68 0.7134 0.73 0.7410 0.75 當(dāng)滿足： （3.12） 時(shí)可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 式中 —板材的許用應(yīng)力，Mpa； —板材的屈服極限，Mpa； —安全系數(shù)，對(duì)于塑性材料為1.3～1.8。 將式（3.12）代入式（3.11）求得殼壁的厚度t： 或者 （3.13） 對(duì)于隔爆箱體，組成的四邊簡支板有三種尺寸（1）a=0.516，b=0.640；（2）a=0.64，b=0.648；（3）a=0.516，b=0.648（單位m）。材料選用Q235A，[σ]=160Mpa。 （1）a=0.516，，查表（3.2），利用插值法，取α=0.4。 則殼壁厚度： （2）a=0.64，，查表（3.2），利用插值法，取α=0.29。 則殼壁厚度： （3）a=0.516，，查表（3.2），利用插值法，取α=0.42。 則殼壁厚度： 綜合上訴三種簡支板，取三種板厚的最大值，實(shí)際取板厚t=0.028m，即可滿足上述要求。 3.2.3 各面板的最大擾度和應(yīng)力結(jié)果 （1）底板和頂板尺寸為640X516X28（mm） ①設(shè)定為固支邊界條件 由式（3.6）可得板中心最大擾度為： ω=0.00126 把式（3.8）板最大彎矩帶入式（3.5）得到板固支邊中點(diǎn)的最大應(yīng)力： 由彎矩公式（3.7）、（3.5），得到板中心點(diǎn)的最大應(yīng)力： ②設(shè)定為簡支邊界條件 由式（3.9）得到板中心點(diǎn)最大擾度： ω=0.00406 由式（3.10）、（3.5）得到板中心點(diǎn)最大應(yīng)力： （2）兩個(gè)側(cè)面板的尺寸為648516X28（mm）。由于基于簡支的計(jì)算結(jié)果偏于保守，有利于結(jié)構(gòu)安全，以下僅用簡支邊界條件進(jìn)行計(jì)算。由式（3.9）簡支邊界條件下板中心最大擾度： ω=0.00406 由式（3.10）、（3.5）得到板中心點(diǎn)最大應(yīng)力： （3）門対板的尺寸為648X640X28（mm），由式（3.9）簡支邊界條件下板中心最大擾度： ω=0.00406 由式（3.10）、（3.5）得到板中心點(diǎn)最大應(yīng)力： （4）接線腔蓋板尺寸605X450X28mm，由于蓋板邊界由螺釘與法蘭連接，假定屬于固支的邊界條件，其中心最大擾度： ω=0.00126 把式（3.8）板最大彎矩帶入式（3.5）得到板固支邊中點(diǎn)的最大應(yīng)力： （5）箱門尺寸620X600X28mm，由于蓋板邊界由螺釘與法蘭連接，假定屬于固支的邊界條件，其中心最大擾度： ω=0.00126 把式（3.8）板最大彎矩帶入式（3.5）得到板固支邊中點(diǎn)的最大應(yīng)力： 3.2.4 門法蘭和蓋板法蘭變形設(shè)計(jì) 門面或蓋板和法蘭接合面在承受工況壓力下，接合面部分的兩個(gè)部分的彈性變形之和不不能超過許用的間隙。 接合面寬度的最小值L和接合面間隙ω限定如表3.2。 表3.2 接合面寬度的最小值L和接合面間隙ω的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù) 平面接合面和止口接合面寬度 L（mm） 與外殼容積V（）對(duì)應(yīng)的 最大間隙（mm） 安全系數(shù)為1.5時(shí)的允許間隙（mm） V100 V100 0.3 0.4 0.5 0.3 0.4 0.5 — 0.133 0.2 由表3.2，由于兩種外殼L的數(shù)值都大于25mm，計(jì)算得到的允許最大間隙，也就是許用擾度[f]都是：（0.5-0.2）/1.5=0.2mm，不使用分配系數(shù)的情況下，分配到門和殼體法蘭上各0.1，mm的允許變形量。 根據(jù)所提供的設(shè)計(jì)要求，剛度條件是兩者最大擾度之和應(yīng)小于許用擾度[f]： （3.14） 即，門許用擾度+箱體法蘭的許用擾度（隔爆接合面的允許間隙ω-平面度公差A(yù)）/安全系數(shù)s。 其中[f]是許用擾度，這里是隔爆接合面的最大間隙ω與平面度公差A(yù)的差值再比上安全系數(shù)s得到的，單位是m。S是安全系數(shù)，如上所述，取1.5。 門法蘭許用撓度與箱體法蘭許用撓度不同，使用分配系數(shù)來區(qū)別其大小。從前面的計(jì)算可以看出實(shí)際取值的厚度接近許用厚度的最小值。實(shí)際工作中隨著安全系數(shù)的取值不同。最小厚度也會(huì)有所變化，取用要依據(jù)實(shí)際情況決定。 箱體法蘭變形建立模型有多種方式，采用梁結(jié)構(gòu)時(shí)，法蘭簡化為線，反映不出在法蘭內(nèi)外側(cè)的變形不同。所以在這里按照板受力的模型計(jì)算。根據(jù)《機(jī)械工程手冊(cè)》中的近似公式計(jì)算。 箱體法蘭板的邊界條件為：兩短邊簡支，一長邊固定，一長邊自由。計(jì)算變形使用最大撓度公式： （3.15） 其中取0.12，t為法蘭厚度。代入法蘭尺寸計(jì)算法蘭的變形結(jié)果如表2.3所示： 表2.3法蘭計(jì)算結(jié)果 法蘭寬度a （mm） 法蘭厚度t （mm） 最大擾度ω（mm） 門框法蘭 箱體法蘭 50 50 28 28 0.16 0.16 接線腔法蘭 45 20 0.29 蓋板法蘭 45 20 0.29 3.2.5計(jì)算結(jié)果討論 首先，計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際時(shí)要加一定的安全系數(shù)，先討論安全系數(shù)的選取。安全系數(shù)定義為最大應(yīng)力。與實(shí)際許用應(yīng)力[σ]的比值，即s=。由于本例屬于簡化模型，考慮的是以最薄處厚度進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)可以較小，取1.1～1.5；由于礦用隔爆型外殼屬于低壓容器，安全系數(shù)需要取較大，應(yīng)取1.5～2。綜合這兩點(diǎn)可以取安全系數(shù)s為1.5。還可以依據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)值選取安全系數(shù)。 然后，考慮許用應(yīng)力的選取，依據(jù)板的小撓度理論計(jì)算出板彎曲結(jié)果是偏于安全和浪費(fèi)的。本例中所采用的Q235A鋼的屈服極限240MPa。當(dāng)屈服極限作為許用應(yīng)力時(shí)，最大應(yīng)力為，仍小于Q235A鋼的強(qiáng)度極限，說明最大應(yīng)力在強(qiáng)化階段至破壞極限狀態(tài)之間，尚未達(dá)到破壞極限。為了增加承載能力，技術(shù)要求在壓力試驗(yàn)后需要產(chǎn)生永久塑性變形。說明平板受壓下在材料的彈塑性區(qū)域活動(dòng)，并且是安全的。 3.3連接螺釘?shù)膹?qiáng)度及數(shù)量 內(nèi)六角圓柱頭螺釘，也簡稱內(nèi)六角螺栓，杯頭螺絲，內(nèi)六角螺釘， 其叫法不一樣，但所代表的意思是一樣的。內(nèi)六角螺釘按螺絲線材的硬度，扛拉力，屈服強(qiáng)度等是有一個(gè)等級(jí)分類的，也就是內(nèi)六角螺釘?shù)募?jí)別，內(nèi)六角螺釘是什么級(jí)別的。不同的 產(chǎn)品物料上，要求有不同等級(jí)的內(nèi)六角螺釘與之相對(duì)應(yīng)。內(nèi)六角螺釘按等級(jí)強(qiáng)度有分為普通的和高強(qiáng)度的。普通的內(nèi)六角螺 栓是指4.8級(jí)的，高強(qiáng)度的內(nèi)六角螺釘是指8.8級(jí)以上的，包括10.9級(jí) 和12.9級(jí)的。12. 9級(jí)的內(nèi)六角螺釘一般都是指帶滾花的，本色的帶油的 黑色內(nèi)六角杯頭螺絲。 鋼結(jié)構(gòu)連接用內(nèi)六角螺釘性能等級(jí)分3. 6、4. 6、4. 8、5. 6、6. 8、8. 8、 9.8、10.9、12. 9等10余個(gè)等級(jí)，其中8. 8級(jí)及以上螺釘材質(zhì)為低碳合 金鋼或中碳鋼并經(jīng)熱處理（淬火、回火），通稱為高強(qiáng)度螺釘，其余通稱為普通螺釘。螺釘性能等級(jí)標(biāo)號(hào)有兩部分?jǐn)?shù)字組成，分別表示螺釘材 料的公稱抗拉強(qiáng)度值和屈強(qiáng)比值。本次設(shè)計(jì)所采用的螺釘為性能等級(jí)8.8的內(nèi)六角圓柱螺釘，其抗拉強(qiáng)度為，屈服強(qiáng)度為。 高強(qiáng)度螺釘在受剪和受拉兩方面的性能都比較好。它在安裝時(shí)通過擰入板的螺紋孔中，使釘身中出現(xiàn)很大的預(yù)緊拉應(yīng)力，從而在被連接板間產(chǎn)生較大的摩擦力，靠這個(gè)摩擦力傳遞外力。采用45號(hào)鋼制造螺釘，并經(jīng)熱處理，就是希望預(yù)緊力可以大些，因而摩擦力也可以大一些。 選用恰當(dāng)?shù)穆葆斨睆讲⒄_的布置螺釘，對(duì)于保證連接強(qiáng)度，求得經(jīng)濟(jì)效益和制作方便是至關(guān)重要的。 箱體法蘭與門法蘭，接線腔法蘭與蓋板法蘭使用螺釘聯(lián)接，需要計(jì)算在受壓下螺釘?shù)膹?qiáng)度。這里分析一下螺釘?shù)闹睆胶蛡€(gè)數(shù)。若選用的螺釘直徑太小，則所需要的個(gè)數(shù)太多，拆卸不方便，且預(yù)緊不好控制，容易造成受力不均勻；相反若選用的螺釘直徑太大，則數(shù)量需求就少，間距就過大，對(duì)密封性有影響。 由于矩形殼體是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，適宜用偶數(shù)個(gè)螺釘，可以依據(jù)法蘭總拉力均分在各個(gè)螺釘上。當(dāng)超過螺釘許用拉力時(shí)就加一對(duì)螺釘，但當(dāng)長度比接近1時(shí)螺釘向上取整時(shí)要取4的倍數(shù)為宜，以便長短邊螺釘?shù)拈g距相近。比較合理的螺釘間距l(xiāng)是螺釘公稱直徑的7～10倍，壓力容器的密封在內(nèi)壓小于1.6MPa時(shí)取7倍，一般聯(lián)結(jié)取10倍螺釘直徑。由于工況為1MPa且要求方便拆卸，這里取間距為10倍螺釘公稱直徑，即當(dāng)算出螺釘間距過小時(shí)，則選用大一規(guī)格的螺釘；同樣，當(dāng)算出螺釘間距過大時(shí)，則選用小一規(guī)格的螺釘。當(dāng)最大間距接近10倍螺釘直徑時(shí)，所選的螺釘直徑、個(gè)數(shù)是比較合理的。 這里先分析接線腔法蘭的螺釘，接線腔法蘭螺釘分布如圖3.2所示 圖3.2 接線腔法蘭示意圖 總受力是，根據(jù)機(jī)械工程手冊(cè)，得到： （3.16） 式中： —是預(yù)緊系數(shù)，在軟墊片和靜止載荷時(shí)取1.5～2.5，這里取1.5； —是螺釘相對(duì)剛度系數(shù)，在蓋板使用鋼板和彈簧鋼墊圈時(shí)取0.9； F—受力面的實(shí)際總受力大小，由工況壓力1MPa與受力面積乘積得到。在接線腔中，蓋板受到的推力使蓋板法蘭和接線腔法蘭的螺釘受拉。受力面積即為蓋板的面積。 接線腔蓋： 隔爆箱門： 又根據(jù)許用應(yīng)力[σ]=，是螺釘材料的屈服極限，按45號(hào)鋼考慮，。 根據(jù)機(jī)械工程手冊(cè)，若不控制預(yù)緊力，安全系數(shù)將取2～5，使螺釘直徑d過大。此處需要控制預(yù)緊力，其安全系數(shù)s可取1.2～1.5。這里取s=1.2。 最后可以確定螺釘?shù)脑S用應(yīng)力[σ]= 由此可以得到各螺釘?shù)膶?shí)際許用拉力： 對(duì)于接線腔上蓋板的受力面尺寸是605X450X28，得長寬比是1.34，螺釘個(gè)數(shù)可取7的倍數(shù)。在內(nèi)壓1Mpa下受到的總壓力為： （1）若使用M8螺釘，需要螺釘個(gè)數(shù)n=F/43.4 。取螺釘個(gè)數(shù)為44，布置方式可以為四角四個(gè)，水平邊12個(gè)，豎直邊8個(gè)，這樣布置間距45X7X8=56mm，不合理，因此不采用。 （2）使用M10螺釘，需要螺釘個(gè)數(shù)n=F/27.7.取螺釘個(gè)數(shù)為28，布置方式可以為四角四個(gè)，水平邊7個(gè)，豎直邊5個(gè)，這樣布置間距65X7X10=70，不合理，因此不采用。 （3）使用M12螺釘，需要螺釘個(gè)數(shù)n=F/17.7.取螺釘個(gè)數(shù)為20，布置方式可以為四角四個(gè)，水平邊5個(gè)，豎直邊3個(gè)，此時(shí)，水平間距115mm，豎直間距105，可采用，所以選用M12螺釘，取個(gè)數(shù)18。 根據(jù)上述公式，同理可算出箱門上所需的螺釘個(gè)數(shù)。由于箱門與箱體的法蘭之間還通過卡扣緊固，可以分擔(dān)螺釘所受到的力，因此可以適當(dāng)減小螺釘?shù)膫€(gè)數(shù)。這里選用M8螺釘，取個(gè)數(shù)為46。  3.4 優(yōu)化方案設(shè)計(jì) 通過上面的理論分析，可以發(fā)現(xiàn)，板的厚度與實(shí)物的厚度有一定的差距。在理論設(shè)計(jì)過程中，沒有考慮加強(qiáng)筋對(duì)板的加固作用。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可增加加強(qiáng)筋，并減小板的厚度。根據(jù)實(shí)物考察，可作出以下設(shè)計(jì)：在側(cè)面板、后面板、箱門及蓋板增加加強(qiáng)筋，作出兩種厚度的板10mm和15mm，分析并比較不同厚度下的臨界值，從中選取最優(yōu)值。對(duì)于該設(shè)計(jì)可通過有限元分析來驗(yàn)證其可行性。由于各面板的形狀趨于矩形，因此加強(qiáng)筋的布局以側(cè)面板為例，采用如圖3.3所示來布局。各面板采用相同的布局。 圖3.3 側(cè)面板加強(qiáng)筋的分布圖 3.5 本章小結(jié) 本章簡單介紹了本論文研究的隔爆起動(dòng)器外殼；根據(jù)小擾度理論，推算出了各個(gè)主要受力面板的理論尺寸；根據(jù)計(jì)算公式，對(duì)重要的零部件進(jìn)行了擾度和應(yīng)力的理論分析和設(shè)計(jì)；總結(jié)計(jì)算數(shù)值，對(duì)箱體進(jìn)行了理論的優(yōu)化設(shè)計(jì)。  4 基于UG的隔爆箱體外殼的三維建模 4.1 UG軟件 本課題采用UG對(duì)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流軟起動(dòng)器進(jìn)行三維建模。 UG是Unigraphics的縮寫，這是一個(gè)交互式CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造）系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個(gè)人用戶的迅速增長，在PC上的應(yīng)用取得了迅猛的增長，已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個(gè)主流應(yīng)用。 UG的開發(fā)始于1969年，它是基于C語言開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。UG NX是一個(gè)在二和三維空間無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上使用自適應(yīng)多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個(gè)靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。其設(shè)計(jì)思想足夠靈活地支持多種離散方案。因此軟件可對(duì)許多不同的應(yīng)用再利用。 一個(gè)給定過程的有效模擬需要來自于應(yīng)用領(lǐng)域（自然科學(xué)或工程）、數(shù)學(xué)（分析和數(shù)值數(shù)學(xué)）及計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)。然而，所有這些技術(shù)在復(fù)雜應(yīng)用中的使用并不是太容易。這是因?yàn)榻M合所有這些方法需要巨大的復(fù)雜性及交叉學(xué)科的知識(shí)。最終軟件的實(shí)現(xiàn)變得越來越復(fù)雜，以致于超出了一個(gè)人能夠管理的范圍。一些非常成功的解偏微分方程的技術(shù)，特別是自適應(yīng)網(wǎng)格加密（adaptivemeshrefinement）和多重網(wǎng)格方法在過去的十年中已被數(shù)學(xué)家研究，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的巨大進(jìn)展，特別是大型并行計(jì)算機(jī)的開發(fā)帶來了許多新的可能。 UG的目標(biāo)是用最新的數(shù)學(xué)技術(shù)，即自適應(yīng)局部網(wǎng)格加密、多重網(wǎng)格和并行計(jì)算，為復(fù)雜應(yīng)用問題的求解提供一個(gè)靈活的可再使用的軟件基礎(chǔ)。 來自SiemensPLM 的NX使企業(yè)能夠通過新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向產(chǎn)品全生命周期管理轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。 NX 包含了企業(yè)中應(yīng)用最廣泛的集成應(yīng)用套件，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程和制造全范圍的開發(fā)過程。 如今制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)是，通過產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新，在持續(xù)的成本縮減以及收入和利潤的逐漸增加的要求之間取得平衡。為了真正地支持革新，必須評(píng)審更多的可選設(shè)計(jì)方案，而且在開發(fā)過程中必須根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)中所獲得的知識(shí)更早地做出關(guān)鍵性的決策。 NX 是 UGS PLM 新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過過程變更來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品革新。NX 獨(dú)特之處是其知識(shí)管理基礎(chǔ)，它使得工程專業(yè)人員能夠推動(dòng)革新以創(chuàng)造出更大的利潤。 NX 可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識(shí)，根據(jù)已知準(zhǔn)則來確認(rèn)每一設(shè)計(jì)決策。 NX 建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，這些解決方案可以全面地改善設(shè)計(jì)過程的效率，削減成本，并縮短進(jìn)入市場的時(shí)間。通過再一次將注意力集中于跨越整個(gè)產(chǎn)品生命周期的技術(shù)創(chuàng)新， NX 的成功已經(jīng)得到了充分的證實(shí)。這些目標(biāo)使得 NX 通過無可匹敵的全范圍產(chǎn)品檢驗(yàn)應(yīng)用和過程自動(dòng)化工具，把產(chǎn)品制造早期的從概念到生產(chǎn)的過程都集成到一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理和協(xié)同的框架中。 NX為那些培養(yǎng)創(chuàng)造性和產(chǎn)品技術(shù)革新的工業(yè)設(shè)計(jì)和風(fēng)格提供了強(qiáng)有力的解決方案。利用NX建模，工業(yè)設(shè)計(jì)師能夠迅速地建立和改進(jìn)復(fù)雜的產(chǎn)品形狀， 并且使用先進(jìn)的渲染和可視化工具來最大限度地滿足設(shè)計(jì)概念的審美要求。 NX 包括了世界上最強(qiáng)大、最廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊。NX 具有高性能的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能，為制造設(shè)計(jì)提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設(shè)計(jì)任何復(fù)雜產(chǎn)品的需要。 NX 優(yōu)于通用的設(shè)計(jì)工具，具有專業(yè)的管路和線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料件設(shè)計(jì)模塊和其他行業(yè)設(shè)計(jì)所需的專業(yè)應(yīng)用程序。 NX允許制造商以數(shù)字化的方式仿真、確認(rèn)和優(yōu)化產(chǎn)品及其開發(fā)過程。通過在開發(fā)周期中較早地運(yùn)用數(shù)字化仿真性能，制造商可以改善產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)減少或消除對(duì)于物理樣機(jī)的昂貴耗時(shí)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建，以及對(duì)變更周期的依賴。 4.2 隔爆軟起動(dòng)器各箱體及組件 隔爆軟起動(dòng)器由隔爆箱體，接線腔構(gòu)成，有兩個(gè)活動(dòng)的面板—箱門和蓋板，共有2個(gè)矩形箱，兩個(gè)箱體通過焊接成為一體，與箱門和蓋板通過螺釘連接。主電纜全部采用快速接插聯(lián)接器，防爆箱采用快開門結(jié)構(gòu)。 防爆箱采用快開門結(jié)構(gòu)，具有完整的機(jī)械安全聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)和多重可靠的電氣閉鎖裝置，具有較強(qiáng)的安全性能。需要打開防爆箱門時(shí)，向上抬起移門軸手柄，門隨之抬起，然后以上下移門軸的軸線為軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過固定的圓柱銷將移門軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)軸的水平向外移動(dòng)，從而把門打開。這種結(jié)構(gòu)適用于需要經(jīng)常修理的設(shè)備上，省時(shí)省力，結(jié)構(gòu)簡單而可靠。防爆箱門開閉均應(yīng)遵循安全操作順序才能實(shí)現(xiàn)，否則無法開啟或閉合。如圖4.1 為快開門機(jī)構(gòu)。 圖4.1快開門機(jī)構(gòu) 隔爆軟起動(dòng)器的總裝圖如圖4.2所示 圖4.2 隔爆軟起動(dòng)器的總裝圖 4.3 三維建模 通過第三章的計(jì)算，得到箱體的壁厚，箱體法蘭和門法蘭的厚度，以及各個(gè)箱體的螺釘分布。由圖4.2可以看出，防爆起動(dòng)器的實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本章的三維建模是為下一章的有限元分析作準(zhǔn)備，因此在建模前需要對(duì)防爆起動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化。 由于起動(dòng)器的殼體零件比較簡單，由多個(gè)矩形板組成，沒有過多需要裝配的零件，因此建模時(shí)不采用裝配方法，直接從底層往上開始建模。先建立一個(gè)底座，底座對(duì)于防爆箱體的下面板起到了加強(qiáng)筋的作用，如圖4.3為底座的三維模型。 圖4.3 簡化殼體底座 圖4.4 簡化隔爆箱體面板 對(duì)于起動(dòng)器的隔爆箱，簡化成由五個(gè)矩形面板組成的箱體，把側(cè)面板上的銘牌、接線端子和撥盤等非重要部件略去，把各個(gè)面板當(dāng)成一整塊板。隔爆箱體面板的三維模型如圖4.4所示。 對(duì)隔爆箱的門面板也進(jìn)行了簡化，去掉觀察窗和一些標(biāo)志銘牌，同樣也是去掉非關(guān)鍵部件，把門面板簡化成一個(gè)矩形面板，加上門法蘭和箱體法蘭，其三維模型如圖4.5所示。 把接線腔和蓋板也加上去，通過分析了隔爆軟起動(dòng)器的外殼實(shí)際結(jié)構(gòu)，包括防爆箱門上的隔離觀察窗、箱門開關(guān)手柄組件和進(jìn)出線喇叭口等，比較復(fù)雜。簡化掉一些附件，去掉觀察窗，箱門開關(guān)手柄組件等，只保留基本的形狀和各面板外形尺寸和厚度。最后簡化后的殼體如圖4.6所示。 圖4.5 簡化隔爆箱體 圖4.6簡化后的箱體模型 4.4 本章小結(jié) 本章開頭先簡單介紹了三維軟件——UG的基本功能，對(duì)所要用到的三維軟件有了一定的了解；其次根據(jù)二維裝配圖介紹了隔爆起動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)需要簡化的部件進(jìn)行了分析；最后用UG軟件對(duì)簡化模型進(jìn)行建模，以便之后Workbench的分析提供模型。 5 隔爆軟起動(dòng)器的有限元分析 5.1 有限元簡介 有限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性等問題的數(shù)值解法。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析中，利用彈性力學(xué)有限元法建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動(dòng)力響應(yīng)（包括響應(yīng)位移和響應(yīng)應(yīng)力）。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)，所以在短短50多年間已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、宇航航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，己成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具。特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和軟、硬件環(huán)境的不斷完善以及高檔計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)工作站的逐步普及，現(xiàn)在己有許多著名的有限元程序（如ANSYS、ANDIA、NASTRAN、SAP等）可用，從而為有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了更為良好的條件，并將展示出更為廣闊的工程應(yīng)用前景。 有限元法的基本思路是：a、把很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拆分為若干個(gè)形狀簡單的單元，這些單元一般要小到可以用簡單的數(shù)學(xué)模型來描述特性參數(shù)在其中的分布，這一步驟稱為離散。b、通過對(duì)單元的研究來建立各特性參數(shù)之間的關(guān)系方程，這一過程稱為單元分析。在彈性力學(xué)中，單元分析的任務(wù)是：建立聯(lián)系應(yīng)變與節(jié)點(diǎn)位移分量的方程，聯(lián)系應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)位移分量的方程，同時(shí)研究單元的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，以及把作用在單元中間的外載荷轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)載荷。c、在單元分析基礎(chǔ)上，利用平衡條件和連續(xù)條件，將各個(gè)單元拼裝成整體結(jié)構(gòu)。對(duì)整體在確定邊界條件下進(jìn)行分析，從而得到整體的參數(shù)關(guān)系方程組，即矩陣方程。這一過程稱為整體分析。d、解這樣的矩陣方程，即可得到各種參數(shù)在整體結(jié)構(gòu)中的分布。 5.2 ANSYS簡介 ANSYS（Analysi system）是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型CAE通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利，以及日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)（如Windows、UNIX、Linux、IRIx和HP-UX）中運(yùn)行。從PC到工作站，直至巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。ANSYS的第一個(gè)集成計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)（CFD）功能是第一個(gè)，也是唯一一個(gè)包括多物理場分析功能的軟件。  5.2.1技術(shù)特點(diǎn) ANSYS的技術(shù)特點(diǎn)如下：可實(shí)現(xiàn)多場及多場禍合功能；是實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的大型FEA軟件；是具有流場優(yōu)化功能的CFD軟件；融前后處理與分析求解于一體；強(qiáng)大的非線性分析功能；快速求解器；最早采用并行計(jì)算技術(shù)的FEA軟件；支持從個(gè)人機(jī)、工作站到巨型機(jī)的所有硬件平臺(tái)；可兼容個(gè)人機(jī)、工作站、大型機(jī)機(jī)巨型機(jī)等硬件平臺(tái)上的全部數(shù)據(jù)文件；在個(gè)人機(jī)、工作站、大型機(jī)及巨型機(jī)等硬件平臺(tái)上具有統(tǒng)一的用戶界面；可與大多數(shù)的CAD軟件集成并有接口；具有智能網(wǎng)格劃分；具有多層次多框架的產(chǎn)品系列；具有良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 5.2.2 ANSYS Workbench平臺(tái) ANSYS Workbench是基于ANSYS軟件的另外一個(gè)平臺(tái)。ANSYS公司推出了ANSYS經(jīng)典版（Mechanical APDL）和ANSYS Workbench版兩個(gè)版本。ANSYS Workbench的目標(biāo)是，通過對(duì)產(chǎn)品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開發(fā)與實(shí)施，搭建一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、集成多學(xué)科異構(gòu)CAE技術(shù)的仿真系統(tǒng)。以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM為核心，組建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品研制虛擬仿真團(tuán)隊(duì)，基于產(chǎn)品數(shù)字虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制的并行仿真和異地仿真。所有與仿真工作相關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個(gè)統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，各類數(shù)據(jù)之間的交流、通訊和共享皆可在這個(gè)環(huán)境中完成。 基于Workbench的仿真環(huán)境有三點(diǎn)與傳統(tǒng)仿真環(huán)境有所不同： 客戶化：Workbench像PDM那樣，利用與仿真相關(guān)的API，根據(jù)用戶的產(chǎn)品研發(fā)流程特點(diǎn)開發(fā)實(shí)施形成仿真環(huán)境，而且用戶自主開發(fā)的API與ANSYS 已有的AP