軟起動隔爆箱體結構設計與計算【說明書+CAD+UG】
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畢業(yè)設計(論文)中期檢查表(指導教師)
指導教師姓名: 填表日期: 2014年 04月 17 日
學生學號
學生姓名
題目名稱
軟起動隔爆箱體結構設計
與計算
已完成內容
一、2013年12月25日至2014年1月06日 選擇畢業(yè)設計題目,搜集資料,理解課題,完成開題報告。
二、1月07日至3月01日 熟悉UG和初步了解ANSYS軟件和相關知識,查閱相關使用手冊。
三、3月02日至3月07日 理解防爆箱的結構及其工作原理,弄懂箱體的關鍵部位,確定需要校核的相關尺寸。
四、3月08日至4月01日 用autoCAD繪制箱體的二維簡化圖并用UG三維軟件建立箱體模型。
檢查日期:
完成情況
□全部完成
□按進度完成
□滯后進度安排
存在困難
初次學習ANSYS軟件,并且該軟件只有英文版,在使用上有一定的困難,使用時要對照教程,進度比較慢;對箱體結構的網(wǎng)格劃分和單元個數(shù)概念不太清楚,導致進度有點緩慢;后續(xù)的應力分析和箱體簡化還需查找相關資料進行合理的分析。
解決辦法
多看看ANSYS軟件的使用教程;查找相關模型的有限元分析實例,參照分析方法,對箱體優(yōu)化設計;通過網(wǎng)絡資料和詢問同學及老師來解決現(xiàn)有的問題。
預期成績
□優(yōu) 秀
□良 好
□中 等
□及 格
□不及格
建
議
教師簽名:
教務處實踐教學科制表
說明:1、本表由檢查畢業(yè)設計的指導教師如實填寫;2、此表要放入畢業(yè)設計(論文)檔案袋中;
3、各院(系)分類匯總后報教務處實踐教學科備案。
畢業(yè)設計(論文)中期檢查匯總表(院、系、部)
院、部 填表日期: 年 月 日
課題完成情況
全部完成
按進度完成
滯后進度完成
人數(shù)
比例
人數(shù)
比例
人數(shù)
比例
預期成績
優(yōu) 秀
良 好
中 等
及 格
不及格
數(shù)量
比例
數(shù)量
比例
數(shù)量
比例
數(shù)量
比例
數(shù)量
比例
檢查內容及基本情況
檢查學生人數(shù):
檢查內容:
檢查方式:
檢查情況匯總:
初期檢查中存在的問題解決情況
當前存在的問題以及擬采取的措施和預期解決情況
填表人: 審核人: 院、部(蓋章):
編號:
畢業(yè)設計(論文)任務書
題 目:軟起動隔爆箱體結構設計
與計算
學 院: 機電工程學院
專 業(yè):機械設計制造及其自動化
學生姓名: 伍榮展
學 號: 1000110131
指導教師單位: 機電工程學院
姓 名: 高成
職 稱: 助理研究員
題目類型:¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā)
2013年12月13日
一、畢業(yè)設計(論文)的內容
礦用隔爆兼本安型交流軟起動器直接在煤礦井下運行,其箱體結構復雜,設計與制造質量要求高。由于運行驗壓力,所以箱體必須要有足夠的強度和剛性。由于箱體結構復雜,很難尋求一種簡化方法對其進行準確而可靠的設計。因此,過去對箱體的設計國內一直是基于經驗或按類比法進行的。這往往會帶來一些問題,如為安全起見,設計時加大安全系數(shù),使結構越來越笨重,從而具有很大的盲目性。隨著科學技術的發(fā)展,利用計算機和有限元方法使得復雜結構的強度計算成為現(xiàn)實。本文運用經驗或類比法進行初步設計,再運用有限元法對箱體結構進行應力和變形分析,在此基礎上對箱體結構進行優(yōu)化設計,收到了滿意的效果。
礦用隔爆兼本安型交流軟起動器箱體結構由板筋件通過焊接將其組裝成箱體。首先采用經驗和類比方法進行初步設計,用三維設計軟件 SolidWorks建立箱體的三維模型,再直接導人到有限元分析軟件中進行計算。通過計算可獲取箱體的應力值與變形值,為箱體的優(yōu)化設計提供必要的依據(jù)。
箱體由箱蓋與箱殼兩部分組成,箱蓋與箱殼均為焊接結構,它們通過螺栓連接,箱體內側布置有各種類型的加強筋。作為計算模型需要對實際的結構模型進行適當?shù)暮喕孟潴w結構和受力的對稱性,取箱體的二分之一進行分析。為突出箱體結構對強度和剛度的影響,忽略焊縫和焊接殘余應力的影響,對螺栓孔和螺栓也進行了相應的簡化處理,而將箱體作為整體來分析。單元類型的選擇取決于結構的幾何形狀和所要求的計算精度。由于箱體結構復雜,采用三維10節(jié)點等長四面體單元劃分網(wǎng)格,有限元的網(wǎng)格劃分是關系到計算精度、計算機速度、容量與收斂性的重要問題。
應用有限元軟件系統(tǒng)分析箱體的應力分布和變形規(guī)律,找出箱體的薄弱區(qū)域,針對強度薄弱區(qū)和強度富余區(qū)進行結構改進設計。優(yōu)化后的箱體結構不僅強度可以提高,變形也得到控制,而且箱體重量也會降低,達到優(yōu)化設計的目的。
二、畢業(yè)設計(論文)的要求與數(shù)據(jù)
1、總裝圖及零件圖完整表達對象,體現(xiàn)裝配和加工要求;
2、畢業(yè)設計說明書應包含中英文摘要、設計方案比較、計結構設、理論計算、零部件制造工藝、數(shù)值模擬分析、實體建模說明等內容;
3、完成UG、Pro/E或SolidWorks等軟件對隔爆箱體及其零部件進行實體建模,并用ansys等有限元軟件進行整體受力模擬;分析關鍵受力部件的應力分布云圖,標明箱體承力危險部位。
4、畢業(yè)設計說明書應包含整體結構中承力部件(組件)的模擬、分析、計算及優(yōu)化方案,計算剛度、強度、撓度值,考察零件的變形程度是否達到GB3836.2-2010所要求的數(shù)值,重點為兩腔法蘭、緊固件、箱門卡扣、主腔側壁、箱門等。并產品輕量化為目標優(yōu)化計算箱體結構尺寸。
三、畢業(yè)設計(論文)應完成的工作
1、完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書(論文);在畢業(yè)設計說明書(論文)中必須包括詳細的300-500個單詞的英文摘要;
2、獨立完成與課題相關,不少于四萬字符的指定英文資料翻譯(附英文原文);
3、繪制總裝圖及關鍵部件的生產加工圖紙,至少包含三張A0以上的計算機繪圖圖紙,實體建模電子文檔。
四、應收集的資料及主要參考文獻
[1] GB3836.2-2010, 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第2部分:隔爆型“d”[S].
[2] 成大先. 機械設計手冊(第五版)[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008.
[3] 張朝暉. ANSYS12.0結構分析工程應用實例解析(第三版)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.
[4] 王新榮. 有限元法基礎與ANSYS應用[M]. 北京: 科學出版社, 2008.
[5] 鞏利萍. 隔爆電氣設備外殼的設計及有限元分析[D]. 青島: 山東科技大學, 2009.
[6] 徐建文. 隔爆外殼緊固件的設計[J]. 電氣防爆, 2003(1): 8-12.
[7] 張寶富, 穆希輝, 杜峰坡. 基于有限元法的電機隔爆外殼設計[J]. 煤炭科學技術, 2009, 37(10): 58-60, 64.
[8] 孫海林. 隔爆電氣設備外殼強度分析及參數(shù)化設計[D]. 西安, 西安理工大學, 2006.
[9] 高秀洪, 李衛(wèi)東, 姬根榮. 1140V圓柱形隔爆外殼的設計[J]. 電氣防爆, 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、試驗、測試、試制加工所需主要儀器設備及條件
計算機一臺、打印機一臺、ansys軟件、SolidWorks軟件一、電子圖板軟件。
任務下達時間:
2013年12月17日
畢業(yè)設計開始與完成時間:
2013年12月17日至 2014年05 月26日
組織實施單位:
教研室主任意見:
簽字: 2013年12月14日
院領導小組意見:
簽字: 2013 年12月16日
編號:
畢業(yè)設計(論文)開題報告
題 目: 軟起動隔爆箱體
結構設計與計算
院 (系): 機電工程學院
專 業(yè):機械設計制造及其自動化
學生姓名: 伍榮展
學 號: 1000110131
指導教師單位: 機電工程學院
姓 名: 高成
職 稱: 助理研究員
題目類型:¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā)
2014年01月04日
1.畢業(yè)設計的主要內容、重點和難點等
一、主要內容:
1、學會并熟練應用UG和ANSYS軟件等相關軟件,查找和本課題相關的文獻和資料。
2、并分析軟啟動隔爆箱體的結構和特點及其各個零部件的作用。分析其關鍵部位和非關鍵部位。
3、用CAD二維軟件分析和繪制箱體的二維結構,畫出最終簡化的二維結構圖。
4、用UG三維軟件創(chuàng)建箱體的虛擬模型,將模型導入ANSYS軟件。
5、用ANSYS軟件對箱體進行有限元分析。分析不同受力環(huán)境下箱體結構的應力分布情況。
6、經過有限元分析,對箱體結構進行優(yōu)化設計。重點考慮兩個方面:一是對箱體的薄弱部位進行加強,二是對箱體應力強度儲備大的地方進行“減重”。
7、對板壁和加強筋等關鍵部分進行應力和強度等相關參數(shù)的計算和校核。
8、整理和匯總并編寫出設計報告。
9、翻譯專業(yè)外語文獻。
二、設計的重點:
1、有限元分析的學習和ANSYS軟件的應用。
2、箱體結構的分析和簡化。
3、三維模型的建立。
4、箱體結構應力的分析和強度校核計算。
5、箱體結構的優(yōu)化。
設計的難點:
1、用軟件對箱體的應力分析設計。
2、箱體結構的優(yōu)化設計。
3、相關參數(shù)的校核。
2.準備情況(查閱過的文獻資料及調研情況、現(xiàn)有設備、實驗條件等)
一、調研情況
用于煤礦井下爆炸性氣體環(huán)境中的控制箱有本安型i、隔爆型d和增安型e等防爆類型,應用最多的是隔爆型控制箱。隔爆型控制箱一般由殼體、內部連接件、引入裝置、堵板等組成,需經常開箱檢測或有觀察器件的箱體還需要有箱門和透明件。隔爆型控制箱體設計主要是根據(jù)隔爆原理,設計合理的隔爆面參數(shù)和箱體結構,使設計的隔爆型控制箱體滿足隔爆要求,在實際使用過程中達到設計效果,起到隔爆的作用。在控制箱設計中,關鍵是殼體的強度設計以及隔爆面的結構設計。
軟啟動隔爆箱體應用于煤礦井下,其工作環(huán)境存在大量可燃介質(如甲烷、煤塵等)。引起爆炸的因素很多,但主要是電氣設備在運行過程中產生的火花和溫度。設備內部發(fā)生爆炸時,當爆炸混合氣體的火焰經過外殼隔爆接合面時,隔爆接合面間隙破壞了可燃性混合物燃燒和爆炸的火焰反應帶。防止這些火花和溫度引起周圍可燃性 介質爆炸。另外,火焰在間隙傳播中又散失了部分熱量,因此,火焰經過隔爆接合面間隙傳播之后 大大地變小變弱,溫度降低,不能形成連續(xù)燃燒通路,熄滅火焰,不致引起設備外部發(fā)生爆炸、燃燒。隔爆外殼既能承受內部混合爆炸氣體被引爆所產生的爆炸壓力,又能防止內部爆炸火焰和高溫氣體通過隔爆間隙點燃外殼周圍的爆炸性氣體混合物。也就是說,外殼必須能承受內部爆炸壓力,或者使火花熄滅、溫度下降,即使傳到周圍介質中,也絕對不會引起爆炸。故當其設備內部即使發(fā)生故障,如起火、短路、爆炸等,也能將爆炸危險隔絕在設備內部。
礦用隔爆箱體結構由板筋件通過焊接,將其組裝成箱體。首先采用類比方法進行初步設計,并用三維設計軟件UG建立箱體的三維模型,再直接導入到有限元分析軟件ANSYS中進行計算。通過計算可獲取箱體的應力值與變形值,為箱體的優(yōu)化設計提供必要的依據(jù)。利用優(yōu)化設計后的數(shù)據(jù)對箱體進行加強和“減重”來達到強化和減輕箱體
二、參考文獻
[1] 鄧平凡.ANSYS 12有限元分析自學手冊[M].北京,人民郵電出版社,2011.
[2] 張紅松,胡仁喜,康士廷. ANSYS 12.0有限元分析從入門到精通[M].北京,機械工業(yè)出版社,2010.
[3] 展迫優(yōu).UG NX8.0工程圖教程[M]. 北京,機械工業(yè)出版社 2012.
[4] 鞏利萍.隔爆電氣設備外殼的設計及有限元分析[D].青島:山東科技大學, 2009.
[5] 江克斌,屠義強,邵飛.結構分析有限元原理ANSYS實現(xiàn)[M]. 北京,國防工業(yè)出版社, 2005.
[6] 徐建文.隔爆外殼緊固件的設計[J].電氣防爆, 2003(1): 8-12.
[7] 賀奎.礦用快開門隔爆箱的結構設計和研究[J].機電信息,2010.
[8] 劉坤.ANSYS有限元方法精解[M].北京,國防工業(yè)出版社,2005.
[9] 陳英姿.隔爆電氣設備的隔爆原理及電纜的引入[J].河北化工 2007,30(6):60-61
[10] editors, M. Brocchini, F. Trivellato. Vorticity and turbulence effects in fluid structure interaction : an application to hydraulic structure design. QWE press. 2006
三、現(xiàn)有設備及實驗條件
計算機一臺、打印機一臺、ANSYS軟件一個、UG軟件一個、autoCAD軟件一個。
3、實施方案、進度實施計劃及預期提交的畢業(yè)設計資料
一、2013年12月25日至2014年1月06日 選擇畢業(yè)設計題目,搜集資料,理解課題,完成開題報告。
二、1月07日至3月01日 熟悉UG和ANSYS軟件和相關知識,查閱相關使用手冊。
三、3月02日至3月07日 理解防爆箱的結構及其工作原理,弄懂箱體的關鍵部位,確定需要校核的相關尺寸。
四、3月08日至4月01日 用autoCAD繪制箱體的二維簡化圖并用UG三維軟件建立箱體模型。
五、4月02日至5月01日 完成箱體結構的有限元分析,對關鍵部位進行優(yōu)化設計。
六、5月02日至5月19日 整理、計算和校核箱體的相關參數(shù)。
七、5月20日至6月05日 整理打印畢業(yè)論文及相關資料,交指導老師評閱。
指導教師意見
指導教師(簽字):
2012年12月28日
開題小組意見
開題小組組長(簽字):
2013年1 月 5日
院(系、部)意見
主管院長(系、部主任)簽字:
2013年1月 日
- 4 -
編號:
畢業(yè)設計(論文)說明書
題 目: 軟起動隔爆箱體
結構設計與計算
學 院: 機電工程學院
專 業(yè):機械設計制造及其自動化
學生姓名:
學 號: 1000110131
指導老師: 高成
職 稱: 助理研究員
題目類型:¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā)
2014年05月26日
桂林電子科技大學畢業(yè)設計(論文)說明書用紙
摘 要
本論文對某公司的產品QJR-400/1140(660)礦用隔爆兼本質安全交流軟起動器的外殼進行結構優(yōu)化。
礦用防爆起動器外殼可以有效地接受內部爆炸壓力,還能避免內部爆炸時產生的高溫而引起外部爆炸性環(huán)境的爆炸。礦用隔爆起動器外殼是由兩個不同的矩形組成的箱體,首先對它進行結構簡化,把非關鍵部位去除簡化,留下各外形面板及關鍵承力部件。將彈塑性力學引入設計過程中,根據(jù)實物的外形尺寸,將殼體的板簡化為力學模型,結合小擾度理論,推算出各個面板的理論尺寸;采用比較法,根據(jù)理論和實物擬出不同板厚的方案,采用加強筋對其加固;利用隔爆箱和接線腔上的兩對法蘭滿足剛度要求,對法蘭的尺寸計算公式進行推導,得出了結果;對其他關鍵承力部件,如螺釘,進行理論受力分析。分析了起動器的實際試驗和受力狀況,確定了強度分析時的試驗載荷,參考有關標準和資料,提出了起動器外殼變形的允許值。
使用UG三維模型軟件進行起動器的三維建模,分別作出了關鍵承力部件的實體模型及簡化整體模型。利用Workbench軟件,對起動器外殼進行了有限元分析,檢驗外殼及零部件在1MPa壓力測試下產生的應力和位移,獲得隔爆箱體、法蘭和門等關鍵部位的位移和應力云圖。結合理論數(shù)值,來對起動器外殼和關鍵受力部件進行改進分析,從而達到提高材料的利用率、減輕設備重量和降低成本的目標。
關鍵詞:礦用隔爆起動器;彈塑性力學;有限元分析;三維建模;輕量化。
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 錄
1 緒論 1
1.1 課題的提出 1
1.2 本課題研究的主要內容及意義 2
2 礦用隔爆電器設備殼體隔爆要求 3
2.1 爆炸性電氣設備的分類 3
2.2 隔爆型電氣設備的主要功能 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 5
3 殼體強度剛度的理論計算 6
3.1 隔爆外殼設計概述 6
3.2 箱體結構的設計計算 7
3.2.1 彈塑性力學的理論公式 7
3.2.2 殼體壁厚的設計 9
3.2.3 各面板的最大擾度和應力結果 10
3.2.4 門法蘭和蓋板法蘭變形設計 12
3.2.5 計算結果討論 13
3.3 連接螺釘?shù)膹姸燃皵?shù)量 13
3.4 優(yōu)化方案設計 16
3.5 本章小結 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 隔爆軟起動器各箱體及組件 18
4.3 三維建模 19
4.4 本章小結 20
5 隔爆軟起動器的有限元分析 21
5.1 有限元簡介 21
5.2 ANSYS簡介 21
5.2.1 技術特點 22
5.2.2 ANSYS Workbench平臺 22
5.3 隔爆軟起動器的有限元建模 23
5.3.1 幾何建模 23
5.3.2 材料的設置 23
5.3.3 網(wǎng)格劃分 24
5.3.4 靜力分析 25
5.4 分析結果 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 結果分析與優(yōu)化 32
5.6 本章小結 34
6 結論 35
謝 辭 36
參考文獻 37
V
桂林電子科技大學畢業(yè)設計(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,隔爆型控制箱在應用中使用較為廣泛。本論文涉及的隔爆起動器箱體主要由隔爆殼體、接線腔、內部連接件、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備。礦用隔爆型控制箱主要根據(jù)國家標準GB3836. 2-2010《爆炸性環(huán)境用電氣設備第2部分,隔爆型d》和GB3836.1-2010《爆炸性環(huán)境用電氣設備第1部分, 通用要求》設計與制造的。本論文對隔爆原理、防爆起動器的殼體進行設計和優(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,不過也會帶來悲慘的爆炸災害,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備的電火花,電弧產生的高溫引起的。
礦用隔爆型起動器設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構間隙或外殼任何接合面滲透到外殼內部的可燃性混合物在內部發(fā)生的爆炸,而不會點燃外部的爆炸性氣體。在有瓦斯環(huán)境中的煤礦井下的動力設備,如電動機、開關和控制設備等,因為火花或其他事故會引起瓦斯爆炸,為了避免這種危險,需要把設備設計成有防爆結構的特殊外殼,使其具有耐爆性和不傳爆性。
隔爆型設備需要進行防爆試驗(主要有隔爆性能試驗和動態(tài)強度試驗),設計要滿足產品外殼一定的強度和剛度。以前國內設計隔爆電箱體時,大多采用類比法或經驗設計、計算,在試制樣機時如果隔爆外殼通過水壓試驗則合格,否則需增加外殼上強度或剛度薄弱的部分,然后再通過樣機試驗來驗證設計是否達到要求。
隨著工業(yè)科技的迅速發(fā)展,礦用電器設備技術也不斷獲得進展,在煤礦得到廣泛應用的殼類電器開關出現(xiàn)了從低壓(660V)向高壓大容量(1140V,6KV)升級的發(fā)展趨勢。根據(jù)這種需要,在設計生產過程中雖有一些理論分析,但并未對其進行理論研究,諸如根據(jù)隔爆電氣設備箱體壁厚的理論計算,有限元分析驗算等。并且在設計中,隨著殼體的大小不同,多次重復的進行相同或相似的繪圖,增加了設計時間、影響了出圖效率。為了確保隔爆設備的設計科學、可靠、經濟及合理,在保證用于爆炸性氣體環(huán)境安全的情況下,利用彈塑性力學將殼體的板壁抽象成力學模型,計算各部分的壁厚,螺釘?shù)姆峙?,并運用有限元法對隔爆進行靜力學分析,檢驗其強度和剛度是否滿足要求,利用結果指導其箱體結構的改進。對提高隔爆電氣設備的設計技術水平、快速響應市場、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容及意義
近年來,對隔爆箱體已進行了許多方面的分析,包括:隔爆外殼強度設計,對箱體結構設計,殼體形狀的探討,對箱體法蘭和螺釘聯(lián)接強度的校核等。盡管經過了這些分析,但是所選用的方法主要選用傳統(tǒng)的方法,只用原有的經驗和專業(yè)知識來選擇和調整結構設計參數(shù),只能構造得比較簡單的計算模型,與實際的結構形狀變化很大,因此,計算精度較低,要使結構能安全可靠地運行,通常的采用提高安全系數(shù),使其結構尺寸加大,浪費結構材料,設計周期大大增加,并且很難使許多設計參數(shù)得到正確的選擇。由此設計出來的結構,一般達到了設計標準,但在材料使用、結構形式等方面有著不經濟和不合理性,結構的綜合性能往往不能達到理想狀態(tài)。設計人員對實際應變、位移和應力情況沒有一定的了解,不能得出其薄弱環(huán)節(jié)的位置,更談不上進行設備的優(yōu)化設計。
現(xiàn)代設備正朝著高速、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,它有計算精度高、速度快和顯示直觀可靠等特點。因此通過ANSYS軟件的支撐下,對防爆起動器箱體進行有限元靜應力分析,校驗它的強度和剛度有沒有滿足要求,可以提高起動器殼體,和隔爆電氣設備殼體的設計的技術水平,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計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,以礦用隔爆兼本質安全交流軟起動器(以下簡稱隔爆起動器),型號為QJR-400/1140(660)的外殼為研究對象,作出了以下的工作:
(l)嘗試使用彈塑性力學理論對起動器進行設計。根據(jù)小擾度理論,計算出各個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?,計算出法蘭面螺釘?shù)囊?guī)格、數(shù)量和螺釘間距。在理論計算基礎上,提出對箱體改進的方案。
(2)在二維CAD圖的基礎上,簡化起動器殼體,利用UG建立出計算結果的模型設計,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,對防爆起動器進行試驗壓力的模擬,對防爆起動器箱體及其關鍵部位進行了應力與位移的分析;再根據(jù)有限元分析的結果,對殼體的結構,例如加強筋的布置、箱體的壁厚等,進行結構改進,以實現(xiàn)結構上的優(yōu)化。
2 礦用隔爆電器設備殼體隔爆要求
在有爆炸危險環(huán)境中使用的電氣設備稱之為防爆電器,防爆電器設備是具有防爆外殼的電氣設備,當設備外殼內部發(fā)生可燃性混合物爆炸時,外殼不被破壞,并且不會使殼外可燃性混合物發(fā)生燃燒和爆炸的電氣設備??煞譃閮纱箢悾?
Ⅰ類 煤礦井下用電氣設備;
Ⅱ類 工廠用電氣設備。
礦井中,在正常情況下,除了甲烷外等其他可燃性氣體時,電氣設備必須根據(jù)Ⅰ類和Ⅱ類的相應標準制造。煤礦經常使用的是隔爆型與本質安全型電氣設備。Ⅱ類電氣設備,按其適用于爆炸性氣體混合物最大試驗安全間隙或最小點燃電流比分為A、B、C三級,按其最高表面溫度分為Tl~6六組。對防爆電氣設備的技術要求都要符合相應的國家標準GB3836.2—2010。
2.1 爆炸性電氣設備的分類
在爆炸危險場所使用的防爆設備也根據(jù)需求劃分成類、級或組別,以便與使用的場所相對應,有利于對號選用。劃分的方法和場所是相同的,煤礦用設備表示為Ⅰ類;工廠用設備表示為Ⅱ類,Ⅱ類設備中還劃分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三級與Tl~T6六個組別。
防爆電氣設備在粉塵場所使用時,依據(jù)電氣設備的外殼的防護能力可以分為兩個等級如表2-1所示:
表2-1 電器設備防護能力
等級 結構 防護能力 使用區(qū)域
DT級 塵密結構型 IP6X, 10區(qū);
DP級 防塵結構型 IP5X, 11區(qū)存在有非導電粉塵的地方。
2.2 隔爆型電氣設備的主要功能
防止故障狀態(tài)下或正常工作時的設備可能出現(xiàn)電火花,需將它們放入一個或分放在幾個隔爆箱體中。有隔爆性能是隔爆型電氣設備的基礎功能,并且它還要有一定的結構強度,在各個零部件之間的連接中也需要有一定的結構尺寸。當殼內部的電火花、電弧引爆了從外部環(huán)境中進入殼內的爆炸性甲烷等空氣的混合物時,應該使外殼不會被爆炸,防止破壞殼體破壞和不會引爆殼外的甲烷等混合物氣體。
GB 3836.2-2010對隔爆型電氣設備的外殼、間隙、接合面和壓力重疊等多個技術參數(shù)都做了詳細的規(guī)定。經過實踐論證,按照防爆電氣設備的設計制造標準,完全滿足生產實際的要求,并能防止電火花引起爆炸事故。
2.3 隔爆箱的隔爆原理
把礦用電氣設備的帶電部件放入特制的隔爆箱的箱體內,該箱體擁有將箱體內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,并且能經受起經受箱體的各個接觸面或間隙進入殼體內部的爆炸性介質被殼體內部電氣設備引起的火花、電弧引起爆時所產生的爆炸壓力,以便不使箱體被損壞;并且能同時能阻止箱體內部氣體爆炸的生成物向箱體外的爆炸性介質傳播。就可以根據(jù)上述的原理來設計隔爆型電氣設備。大部分都釆用鋼板焊接式結構或鑄鐵來構成隔爆型電氣設備的外殼。一般在隔爆型箱體的設計過程中,主要考慮的因素包括強度和剛度。過去,隔爆箱的箱體進行初步的設計時,一般釆用的是經驗法和類比法,即依據(jù)已經通過的水壓試驗并獲得經過認證的定型產品,在了解已有定型產品所釆用的材料、板厚、法蘭形式、外形形式等已知條件下進行比對、依據(jù)經驗來設計,但設計中的依據(jù)并不夠充分。
2.4外殼的變形允許值
靜壓試驗時外殼產生塑性和彈性變形,特別是體積較大的外殼在試驗時都要產生永久塑性變形。如果在出廠試驗時進行靜壓試驗,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。國內企業(yè)一般是在半精加工后進行水壓試驗,然后進行精加工,消除壓力試驗產生的永久塑性變形。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)達到粗糙度和平面度要求為準。GB3836.2-2010第16.3條規(guī)定:壓力試驗后,如果外殼無結構損壞或可能影響隔爆性能的永久變形,則認為試驗合格。試驗后,隔爆接合面如果產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;如果其它側面產生彈性變形或塑性變形,不會影響隔爆性能。因此隔爆接合面(蓋板和法蘭)是隔爆外殼強度計算的關鍵。對其它側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筋,這樣充分利用材料的強度,減輕產品的重量,降低成本。
在強度計算時按以下要求作為依據(jù)。
(1) 除隔爆接合面外,隔爆外殼側面的永久塑性變形允許值,初步確定為該面最大尺寸(長或寬的最大值)的2%,該值以后可以調整;
(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)礦用隔爆起動器結構作為例子,在采用經驗和類比法的基礎上對其進行初步設計,再用UG三維軟件對隔爆箱的箱體進行三維模型建造,利用ANSYS軟件來對箱體結構進行應力,位移,變形和安全系數(shù)來進行分析,并根據(jù)分析出的結果對箱體結構來進行優(yōu)化設計,最后得出既符合強度、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構尺寸。
2.5 本章小結
本章主要介紹了隔爆起動器設備的概念和分類,爆炸性電器設備的分類、分級與分組,講述了防爆箱體的類型和防爆原理,對外殼變形的允許值進行了解釋,以便為接下來的設計提供思路。
3 殼體強度剛度的理論計算
3.1 隔爆外殼設計概述
礦用隔爆型電氣設備的隔爆性能是通過隔爆外殼來實現(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。試驗證明,在相同容積,不同形狀的容器內進行爆炸試驗,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。又因為長方體外殼內腔安裝機械和電氣零部件方便,同時又能充分利用殼體的內腔空間。所以,長方體外殼越來越受設計者和使用者的歡迎,較廣泛的應用在大、中型開關及其它隔爆型電氣設備上,如6kV隔爆型高壓開關、礦用隔爆型移動變電站用高壓真空配電裝置、礦用隔爆型低壓保護箱等。
表3-1 不同外形的容器爆炸試驗產生的壓力表
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
進行靜力試驗時,隔爆外殼要承受1MPa的試驗壓力,因此必須具有足夠的強度和剛性。以往大多采用經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),這使得殼體結構笨重,并且具有很大的盲目性,浪費材料,增加了生產成本[12]
本課題是以型號為QJR-400/1140(660)的礦用隔爆起動器作為研究對象,其中所涉及到的外形尺寸都是依據(jù)該起動器來選取的。計算其箱體受力后的應力和應變。外形圖如圖3.1所示。
圖3.1礦用隔爆兼本質安全交流軟起動器外形圖
長方體隔爆外殼是由鋼板焊接而成的六面體結構,因此,對于體積較大的外殼,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,一般均采用加強筋結構。對有加強筋的長方體外殼,其受力情況較圓柱體外殼復雜得多,需要進行復雜的數(shù)學運算。以往的設計停留在類比法,靠經驗設計該外殼,設計者心中往往無數(shù),在水壓試驗或隔爆性能試驗時常常發(fā)生問題,造成較大的經濟損失,同時又延誤了設計和生產時間。因此,有加強筋的隔爆外殼的設計必須建立在科學可靠的基礎上。本章將彈塑性力學以及材料力學的計算方法引入隔爆外殼的設計計算中,以期使隔爆外殼的設計更為科學、合理、經濟以及可靠[13]
3.2 箱體結構的設計計算
3.2.1 彈塑性力學的理論公式
由兩個平行平面和垂直于平面的柱面所組成的結構,其平面間的距離遠小于平面本身的尺寸(如長度、寬度或直徑)時,該結構稱為薄板。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,可以按薄板計算。
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,前者按平面應力問題處理,而后者則是薄板彎曲理論所研究的內容。在側向載荷的作用下,薄板將產生彎曲變形,當板的最大彎曲撓度。遠小于板的厚度h時,稱為小撓度問題。
對于薄板的彎曲小撓度理論做了以下基本假設:垂直于板厚方向的變形(撓度)遠小于板的邊長。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。此假設即為直法線假設。
(2)薄板中面內各點沒有平行于中面的位移,即中面內任意一點沿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,可認為在同一厚度的各點的撓度相同,都等于中面的撓度。
(3)應力分量,,,遠小于其他三個應力分量,,,并取=0,即平行于板中面的各層互不擠壓。
由第一個假設可知,,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(2),即,因此,上式成為
(3.3)
基于這三點假設,應用幾何方程將各個形變分量用位移ω表示;再將物理方程代入形變分量,就可以用ω表示各個應力分量,,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,是單位面積內的橫向載荷。
參考圖(3.2),板在彎曲時應力與彎矩的關系:
(3.5)
是繞Y軸的彎矩。
應用上述公式,通過計算可以得到:
(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,結果與長邊長度b無關。
最大應力數(shù)值發(fā)生在板的上下表面上的固支邊長邊的中點。當泊松比μ取0.3時,中心彎矩和邊界中點的最大彎矩分別為:
(3.7)
(3.8)
負號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,其值為:
(3.10)
通過上面應力與彎矩的關系式,可以解得最大應力。
3.2.2殼體壁厚的設計
外殼殼壁分別焊接在由主向梁和交叉梁組成的網(wǎng)格上,且設定兩方向梁有足夠的強度。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)格內平板的強度。此長方格內平板受力模型可簡化為四邊簡支,受均布載荷(設計壓力)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力在板中央,即[12]
(3.11)
式中 α—應力系數(shù)(見表3-2);
q—設計壓力,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
當滿足:
(3.12)
時可達到設計要求。
式中 —板材的許用應力,Mpa;
—板材的屈服極限,Mpa;
—安全系數(shù),對于塑性材料為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力結果
(1)底板和頂板尺寸為640X516X28(mm)
①設定為固支邊界條件
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)得到板固支邊中點的最大應力:
由彎矩公式(3.7)、(3.5),得到板中心點的最大應力:
②設定為簡支邊界條件
由式(3.9)得到板中心點最大擾度:
ω=0.00406
由式(3.10)、(3.5)得到板中心點最大應力:
(2)兩個側面板的尺寸為648516X28(mm)。由于基于簡支的計算結果偏于保守,有利于結構安全,以下僅用簡支邊界條件進行計算。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)得到板中心點最大應力:
(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)得到板中心點最大應力:
(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)得到板固支邊中點的最大應力:
(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)得到板固支邊中點的最大應力:
3.2.4 門法蘭和蓋板法蘭變形設計
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的對應數(shù)據(jù)
平面接合面和止口接合面寬度
L(mm)
與外殼容積V()對應的
最大間隙(mm)
安全系數(shù)為1.5時的允許間隙(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)所提供的設計要求,剛度條件是兩者最大擾度之和應小于許用擾度[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)/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。從前面的計算可以看出實際取值的厚度接近許用厚度的最小值。實際工作中隨著安全系數(shù)的取值不同。最小厚度也會有所變化,取用要依據(jù)實際情況決定。
箱體法蘭變形建立模型有多種方式,采用梁結構時,法蘭簡化為線,反映不出在法蘭內外側的變形不同。所以在這里按照板受力的模型計算。根據(jù)《機械工程手冊》中的近似公式計算。
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。代入法蘭尺寸計算法蘭的變形結果如表2.3所示:
表2.3法蘭計算結果
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計算結果討論
首先,計算結果應用于實際時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)定義為最大應力。與實際許用應力[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行計算,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,應取1.5~2。綜合這兩點可以取安全系數(shù)s為1.5。還可以依據(jù)實際情況和經驗值選取安全系數(shù)。
然后,考慮許用應力的選取,依據(jù)板的小撓度理論計算出板彎曲結果是偏于安全和浪費的。本例中所采用的Q235A鋼的屈服極限240MPa。當屈服極限作為許用應力時,最大應力為,仍小于Q235A鋼的強度極限,說明最大應力在強化階段至破壞極限狀態(tài)之間,尚未達到破壞極限。為了增加承載能力,技術要求在壓力試驗后需要產生永久塑性變形。說明平板受壓下在材料的彈塑性區(qū)域活動,并且是安全的。
3.3連接螺釘?shù)膹姸燃皵?shù)量
內六角圓柱頭螺釘,也簡稱內六角螺栓,杯頭螺絲,內六角螺釘, 其叫法不一樣,但所代表的意思是一樣的。內六角螺釘按螺絲線材的硬度,扛拉力,屈服強度等是有一個等級分類的,也就是內六角螺釘?shù)募墑e,內六角螺釘是什么級別的。不同的 產品物料上,要求有不同等級的內六角螺釘與之相對應。內六角螺釘按等級強度有分為普通的和高強度的。普通的內六角螺 栓是指4.8級的,高強度的內六角螺釘是指8.8級以上的,包括10.9級 和12.9級的。12. 9級的內六角螺釘一般都是指帶滾花的,本色的帶油的 黑色內六角杯頭螺絲。
鋼結構連接用內六角螺釘性能等級分3. 6、4. 6、4. 8、5. 6、6. 8、8. 8、 9.8、10.9、12. 9等10余個等級,其中8. 8級及以上螺釘材質為低碳合 金鋼或中碳鋼并經熱處理(淬火、回火),通稱為高強度螺釘,其余通稱為普通螺釘。螺釘性能等級標號有兩部分數(shù)字組成,分別表示螺釘材 料的公稱抗拉強度值和屈強比值。本次設計所采用的螺釘為性能等級8.8的內六角圓柱螺釘,其抗拉強度為,屈服強度為。
高強度螺釘在受剪和受拉兩方面的性能都比較好。它在安裝時通過擰入板的螺紋孔中,使釘身中出現(xiàn)很大的預緊拉應力,從而在被連接板間產生較大的摩擦力,靠這個摩擦力傳遞外力。采用45號鋼制造螺釘,并經熱處理,就是希望預緊力可以大些,因而摩擦力也可以大一些。
選用恰當?shù)穆葆斨睆讲⒄_的布置螺釘,對于保證連接強度,求得經濟效益和制作方便是至關重要的。
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,需要計算在受壓下螺釘?shù)膹姸?。這里分析一下螺釘?shù)闹睆胶蛡€數(shù)。若選用的螺釘直徑太小,則所需要的個數(shù)太多,拆卸不方便,且預緊不好控制,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,對密封性有影響。
由于矩形殼體是對稱結構,適宜用偶數(shù)個螺釘,可以依據(jù)法蘭總拉力均分在各個螺釘上。當超過螺釘許用拉力時就加一對螺釘,但當長度比接近1時螺釘向上取整時要取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壓小于1.6MPa時取7倍,一般聯(lián)結取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,即當算出螺釘間距過小時,則選用大一規(guī)格的螺釘;同樣,當算出螺釘間距過大時,則選用小一規(guī)格的螺釘。當最大間距接近10倍螺釘直徑時,所選的螺釘直徑、個數(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)機械工程手冊,得到:
(3.16)
式中: —是預緊系數(shù),在軟墊片和靜止載荷時取1.5~2.5,這里取1.5;
—是螺釘相對剛度系數(shù),在蓋板使用鋼板和彈簧鋼墊圈時取0.9;
F—受力面的實際總受力大小,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)許用應力[σ]=,是螺釘材料的屈服極限,按45號鋼考慮,。
根據(jù)機械工程手冊,若不控制預緊力,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用應力[σ]=
由此可以得到各螺釘?shù)膶嶋H許用拉力:
對于接線腔上蓋板的受力面尺寸是605X450X28,得長寬比是1.34,螺釘個數(shù)可取7的倍數(shù)。在內壓1Mpa下受到的總壓力為:
(1)若使用M8螺釘,需要螺釘個數(shù)n=F/43.4 。取螺釘個數(shù)為44,布置方式可以為四角四個,水平邊12個,豎直邊8個,這樣布置間距45X7X8=56mm,不合理,因此不采用。
(2)使用M10螺釘,需要螺釘個數(shù)n=F/27.7.取螺釘個數(shù)為28,布置方式可以為四角四個,水平邊7個,豎直邊5個,這樣布置間距65X7X10=70,不合理,因此不采用。
(3)使用M12螺釘,需要螺釘個數(shù)n=F/17.7.取螺釘個數(shù)為20,布置方式可以為四角四個,水平邊5個,豎直邊3個,此時,水平間距115mm,豎直間距105,可采用,所以選用M12螺釘,取個數(shù)18。
根據(jù)上述公式,同理可算出箱門上所需的螺釘個數(shù)。由于箱門與箱體的法蘭之間還通過卡扣緊固,可以分擔螺釘所受到的力,因此可以適當減小螺釘?shù)膫€數(shù)。這里選用M8螺釘,取個數(shù)為46。
3.4 優(yōu)化方案設計
通過上面的理論分析,可以發(fā)現(xiàn),板的厚度與實物的厚度有一定的差距。在理論設計過程中,沒有考慮加強筋對板的加固作用。因此,在優(yōu)化設計中,可增加加強筋,并減小板的厚度。根據(jù)實物考察,可作出以下設計:在側面板、后面板、箱門及蓋板增加加強筋,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。對于該設計可通過有限元分析來驗證其可行性。由于各面板的形狀趨于矩形,因此加強筋的布局以側面板為例,采用如圖3.3所示來布局。各面板采用相同的布局。
圖3.3 側面板加強筋的分布圖
3.5 本章小結
本章簡單介紹了本論文研究的隔爆起動器外殼;根據(jù)小擾度理論,推算出了各個主要受力面板的理論尺寸;根據(jù)計算公式,對重要的零部件進行了擾度和應力的理論分析和設計;總結計算數(shù)值,對箱體進行了理論的優(yōu)化設計。
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對礦用隔爆兼本質安全型交流軟起動器進行三維建模。
UG是Unigraphics的縮寫,這是一個交互式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統(tǒng),它功能強大,可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構。它在誕生之初主要基于工作站,但隨著PC硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長,在PC上的應用取得了迅猛的增長,已經成為模具行業(yè)三維設計的一個主流應用。
UG的開發(fā)始于1969年,它是基于C語言開發(fā)實現(xiàn)的。UG NX是一個在二和三維空間無結構網(wǎng)格上使用自適應多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。其設計思想足夠靈活地支持多種離散方案。因此軟件可對許多不同的應用再利用。
一個給定過程的有效模擬需要來自于應用領域(自然科學或工程)、數(shù)學(分析和數(shù)值數(shù)學)及計算機科學的知識。然而,所有這些技術在復雜應用中的使用并不是太容易。這是因為組合所有這些方法需要巨大的復雜性及交叉學科的知識。最終軟件的實現(xiàn)變得越來越復雜,以致于超出了一個人能夠管理的范圍。一些非常成功的解偏微分方程的技術,特別是自適應網(wǎng)格加密(adaptivemeshrefinement)和多重網(wǎng)格方法在過去的十年中已被數(shù)學家研究,同時隨著計算機技術的巨大進展,特別是大型并行計算機的開發(fā)帶來了許多新的可能。
UG的目標是用最新的數(shù)學技術,即自適應局部網(wǎng)格加密、多重網(wǎng)格和并行計算,為復雜應用問題的求解提供一個靈活的可再使用的軟件基礎。
來自SiemensPLM 的NX使企業(yè)能夠通過新一代數(shù)字化產品開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)向產品全生命周期管理轉型的目標。 NX 包含了企業(yè)中應用最廣泛的集成應用套件,用于產品設計、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,通過產品開發(fā)的技術創(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,必須評審更多的可選設計方案,而且在開發(fā)過程中必須根據(jù)以往經驗中所獲得的知識更早地做出關鍵性的決策。
NX 是 UGS PLM 新一代數(shù)字化產品開發(fā)系統(tǒng),它可以通過過程變更來驅動產品革新。NX 獨特之處是其知識管理基礎,它使得工程專業(yè)人員能夠推動革新以創(chuàng)造出更大的利潤。 NX 可以管理生產和系統(tǒng)性能知識,根據(jù)已知準則來確認每一設計決策。
NX 建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的成功經驗基礎之上,這些解決方案可以全面地改善設計過程的效率,削減成本,并縮短進入市場的時間。通過再一次將注意力集中于跨越整個產品生命周期的技術創(chuàng)新, NX 的成功已經得到了充分的證實。這些目標使得 NX 通過無可匹敵的全范圍產品檢驗應用和過程自動化工具,把產品制造早期的從概念到生產的過程都集成到一個實現(xiàn)數(shù)字化管理和協(xié)同的框架中。
NX為那些培養(yǎng)創(chuàng)造性和產品技術革新的工業(yè)設計和風格提供了強有力的解決方案。利用NX建模,工業(yè)設計師能夠迅速地建立和改進復雜的產品形狀, 并且使用先進的渲染和可視化工具來最大限度地滿足設計概念的審美要求。
NX 包括了世界上最強大、最廣泛的產品設計應用模塊。NX 具有高性能的機械設計和制圖功能,為制造設計提供了高性能和靈活性,以滿足客戶設計任何復雜產品的需要。 NX 優(yōu)于通用的設計工具,具有專業(yè)的管路和線路設計系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料件設計模塊和其他行業(yè)設計所需的專業(yè)應用程序。
NX允許制造商以數(shù)字化的方式仿真、確認和優(yōu)化產品及其開發(fā)過程。通過在開發(fā)周期中較早地運用數(shù)字化仿真性能,制造商可以改善產品質量,同時減少或消除對于物理樣機的昂貴耗時的設計、構建,以及對變更周期的依賴。
4.2 隔爆軟起動器各箱體及組件
隔爆軟起動器由隔爆箱體,接線腔構成,有兩個活動的面板—箱門和蓋板,共有2個矩形箱,兩個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構。
防爆箱采用快開門結構,具有完整的機械安全聯(lián)鎖機構和多重可靠的電氣閉鎖裝置,具有較強的安全性能。需要打開防爆箱門時,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動,通過固定的圓柱銷將移門軸的轉動,轉化為滑動軸的水平向外移動,從而把門打開。這種結構適用于需要經常修理的設備上,省時省力,結構簡單而可靠。防爆箱門開閉均應遵循安全操作順序才能實現(xiàn),否則無法開啟或閉合。如圖4.1 為快開門機構。
圖4.1快開門機構
隔爆軟起動器的總裝圖如圖4.2所示
圖4.2 隔爆軟起動器的總裝圖
4.3 三維建模
通過第三章的計算,得到箱體的壁厚,箱體法蘭和門法蘭的厚度,以及各個箱體的螺釘分布。由圖4.2可以看出,防爆起動器的實際結構比較復雜,本章的三維建模是為下一章的有限元分析作準備,因此在建模前需要對防爆起動器進行結構簡化。
由于起動器的殼體零件比較簡單,由多個矩形板組成,沒有過多需要裝配的零件,因此建模時不采用裝配方法,直接從底層往上開始建模。先建立一個底座,底座對于防爆箱體的下面板起到了加強筋的作用,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
對于起動器的隔爆箱,簡化成由五個矩形面板組成的箱體,把側面板上的銘牌、接線端子和撥盤等非重要部件略去,把各個面板當成一整塊板。隔爆箱體面板的三維模型如圖4.4所示。
對隔爆箱的門面板也進行了簡化,去掉觀察窗和一些標志銘牌,同樣也是去掉非關鍵部件,把門面板簡化成一個矩形面板,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器的外殼實際結構,包括防爆箱門上的隔離觀察窗、箱門開關手柄組件和進出線喇叭口等,比較復雜。簡化掉一些附件,去掉觀察窗,箱門開關手柄組件等,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
本章開頭先簡單介紹了三維軟件——UG的基本功能,對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器的整體結構,對需要簡化的部件進行了分析;最后用UG軟件對簡化模型進行建模,以便之后Workbench的分析提供模型。
5 隔爆軟起動器的有限元分析
5.1 有限元簡介
有限元法是一種采用電子計算機求解結構靜、動態(tài)特性等問題的數(shù)值解法。在機械結構的動力學分析中,利用彈性力學有限元法建立結構的動力學模型,進而可以計算出結構的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動力響應(包括響應位移和響應應力)。由于有限元法具有精度高、適應性強以及計算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點,所以在短短50多年間已廣泛應用于機械、宇航航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領域,己成為現(xiàn)代機械產品設計中的一種重要工具。特別是隨著電子計算機技術的發(fā)展和軟、硬件環(huán)境的不斷完善以及高檔計算機和計算機工作站的逐步普及,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械結構動態(tài)設計中的推廣應用創(chuàng)造了更為良好的條件,并將展示出更為廣闊的工程應用前景。
有限元法的基本思路是:a、把很復雜的結構拆分為若干個形狀簡單的單元,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、通過對單元的研究來建立各特性參數(shù)之間的關系方程,這一過程稱為單元分析。在彈性力學中,單元分析的任務是:建立聯(lián)系應變與節(jié)點位移分量的方程,聯(lián)系應力與節(jié)點位移分量的方程,同時研究單元的節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系,以及把作用在單元中間的外載荷轉化成節(jié)點載荷。c、在單元分析基礎上,利用平衡條件和連續(xù)條件,將各個單元拼裝成整體結構。對整體在確定邊界條件下進行分析,從而得到整體的參數(shù)關系方程組,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)在整體結構中的分布。
5.2 ANSYS簡介
ANSYS(Analysi system)是一種融結構、熱、流體、電磁和聲學于一體的大型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、輕工、地礦、水利,以及日用家電等一般工業(yè)及科學研究。該軟件可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)(如Windows、UNIX、Linux、IRIx和HP-UX)中運行。從PC到工作站,直至巨型計算機,ANSYS文件在其所有的產品系列和工作平臺上均兼容。ANSYS的第一個集成計算機流體動力學(CFD)功能是第一個,也是唯一一個包括多物理場分析功能的軟件。
5.2.1技術特點
ANSYS的技術特點如下:可實現(xiàn)多場及多場禍合功能;是實現(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;強大的非線性分析功能;快速求解器;最早采用并行計算技術的FEA軟件;支持從個人機、工作站到巨型機的所有硬件平臺;可兼容個人機、工作站、大型機機巨型機等硬件平臺上的全部數(shù)據(jù)文件;在個人機、工作站、大型機及巨型機等硬件平臺上具有統(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品系列;具有良好的用戶開發(fā)環(huán)境。
5.2.2 ANSYS Workbench平臺
ANSYS Workbench是基于ANSYS軟件的另外一個平臺。ANSYS公司推出了ANSYS經典版(Mechanical APDL)和ANSYS Workbench版兩個版本。ANSYS Workbench的目標是,通過對產品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開發(fā)與實施,搭建一個具有自主知識產權的、集成多學科異構CAE技術的仿真系統(tǒng)。以產品數(shù)據(jù)管理PDM為核心,組建一個基于網(wǎng)絡的產品研制虛擬仿真團隊,基于產品數(shù)字虛擬樣機,實現(xiàn)產品研制的并行仿真和異地仿真。所有與仿真工作相關的人、技術、數(shù)據(jù)在這個統(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環(huán)境中完成。
基于Workbench的仿真環(huán)境有三點與傳統(tǒng)仿真環(huán)境有所不同:
客戶化:Workbench像PDM那樣,利用與仿真相關的API,根據(jù)用戶的產品研發(fā)流程特點開發(fā)實施形成仿真環(huán)境,而且用戶自主開發(fā)的API與ANSYS 已有的AP
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