有限元分析在礦用隔爆外殼設(shè)計中的應(yīng)用

周慧鋒　梁譽(yù)

摘 要：在設(shè)計礦用隔爆外殼時，如果完全按照國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的內(nèi)容來設(shè)計的話，設(shè)計出的外殼往往不滿足型式試驗(yàn)要求。而有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計工程師，則根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計，雖然所設(shè)計出來的隔爆外殼能夠滿足型式試驗(yàn)要求，但是外殼的重量普遍較重，材料及運(yùn)輸成本較高。而使用有限元分析進(jìn)行設(shè)計，可以有效的縮短設(shè)計周期，同時降低材料成本，使新產(chǎn)品可以迅速推向市場。

關(guān)鍵詞：隔爆外殼；國家標(biāo)準(zhǔn)；有限元分析

概述

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.2-2010中規(guī)定了由隔爆外殼“d”保護(hù)的爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)要求。規(guī)定了煤礦環(huán)境用Ⅰ類電器外殼的型式試驗(yàn)，對于需要做靜壓試驗(yàn)的外殼，必須在壓強(qiáng)1MPa下能夠持續(xù)至少10s，并且不能發(fā)生影響防爆型式的永久變形或損壞，接合面任何部位的間隙都不應(yīng)有永久性增大，否則視為不合格[1]。

標(biāo)準(zhǔn)中給出了各種環(huán)境下隔爆外殼隔爆面的設(shè)計寬度，與隔爆箱的容積有關(guān)，但并未規(guī)定隔爆面的厚度。致使設(shè)計工程師往往要靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計隔爆外殼的結(jié)構(gòu)，但并不是每個工程師都有豐富的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，在粗略估算及經(jīng)驗(yàn)推測下設(shè)計出的隔爆外殼，做型式試驗(yàn)時往往會出現(xiàn)剛度不夠及變形量較大，致使失爆，這樣還要重新加強(qiáng)外殼強(qiáng)度，使設(shè)計周期延長，設(shè)計成本增加。另一種情況是，外殼的型式試驗(yàn)通過了，但是外殼的重量重了很多，實(shí)際上有很多降低空間，對大型隔爆設(shè)備來說，尤其明顯。

本文以某公司礦用隔爆電源箱外殼為例，使用Solidworks2011進(jìn)行隔爆外殼的分析設(shè)計[2]。

1.初期設(shè)計及試驗(yàn)

該隔爆外殼的外形如圖1所示，其長寬高分別為440mm、330mm、160mm。初期設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：隔爆面寬度為26mm，厚度為10mm，側(cè)壁和底面厚為6mm，材料為Q235A，其理論屈服強(qiáng)度為235MPa。根據(jù)上述參數(shù)，機(jī)加車間加工好實(shí)物后，進(jìn)行壓力試驗(yàn)。水壓機(jī)對殼體施加1MPa的壓力后，隔爆面較長的棱邊向外側(cè)發(fā)生了永久變形，破壞了其隔爆性能。

分析其原因，由隔爆外殼結(jié)構(gòu)特征可知，在外殼口部隔爆面較長的棱邊中心受彎矩最大，所以此處的變形量也最大。外殼受力向外膨脹，隔爆面外側(cè)的應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，如果此處的拉應(yīng)力低于屈服應(yīng)力235MPa，其變形為彈性變形，仍可恢復(fù)試驗(yàn)之前的狀態(tài)；如果此處的拉應(yīng)力超過235MPa，在發(fā)生彈性變形的同時也會發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形[3]。對初期設(shè)計方案進(jìn)行有限元模擬計算，其重量為18kg，殼體內(nèi)部的壓力載荷為1MPa。

有限元模擬計算結(jié)果，其隔爆面外側(cè)所受拉應(yīng)力為278.8MPa，大于其屈服應(yīng)力235MPa，故發(fā)生了塑性變形，與初期設(shè)計方案的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相合。

2.改進(jìn)設(shè)計分析

在初期設(shè)計失效方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。將隔爆面的寬度增加至30mm，其他參數(shù)不變，此時，外殼的重量增加至18.7kg，內(nèi)部施加1MPa均布壓力，隔爆面外側(cè)所受拉應(yīng)力為219.5MPa，略低于其屈服應(yīng)力。因?yàn)榱悴考钠茐臅斐墒鹿?，所以安全系?shù)選為1.2～1.3[4]。其安全系數(shù)為：

S=235/219.5≈1.07

仍不能滿足安全要求。

進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在初次改進(jìn)的基礎(chǔ)上，將隔爆面的厚度由10mm改為15mm，其余的參數(shù)不變，其重量增加至20.4kg。隔爆面外側(cè)所受拉應(yīng)力為190.0MPa，其安全系數(shù)：

S=235/190.0≈1.24

能滿足理論設(shè)計要求。

按照最后改進(jìn)的設(shè)計方案，再次加工出實(shí)物，并對其進(jìn)行壓力試驗(yàn)，其結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相吻合，并未出現(xiàn)破壞隔爆性能的永久變形。

對比各個計算結(jié)果，在表1中列出。通過對比，可以推出，如果將側(cè)壁厚度增加至7mm，會進(jìn)一步提高安全系數(shù)，但重量也會相應(yīng)的增加。

3.結(jié)論

使用有限元分析的設(shè)計方法，可以快速地進(jìn)行隔爆機(jī)殼的模擬計算，通過對比若干計算結(jié)果，得出綜合參數(shù)最佳的外殼結(jié)構(gòu)，避免因反復(fù)設(shè)計試驗(yàn)而造成的成本增加和設(shè)計周期延長，為企業(yè)新產(chǎn)品迅速推向市場贏得了寶貴的時間。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 3836.2-2010爆炸性環(huán)境 第2部分：隔爆型設(shè)備“d”保護(hù)設(shè)備[S].2011：22-24.

[2]江洪，陳燎，王智，等.Solidworks有限元分析實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：11-28.

[3]陳明祥.彈塑性力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2007：203-207.

[4]中國有色工程設(shè)計研究總院.機(jī)械設(shè)計手冊（第五版）第1卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：1-109.

作者簡介：周慧鋒（1983 -），男，河南鄭州人，碩士研究生，2010年01月畢業(yè)于燕山大學(xué)，機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)，目前從事煤礦安全測量儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)工作。