隔爆型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼靜壓試驗(yàn)分析與仿真

張凌云，許 健

0 引言

在石油化工、油氣管線等工程中，由于爆炸性氣體或可燃性粉塵的存在，大量的閥門需要由具有隔爆性能的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。公司研發(fā)生產(chǎn)的SA系列產(chǎn)品是一種智能隔爆型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與YBDF系列隔爆型電動(dòng)閥門用三相異步電機(jī)組裝后，構(gòu)成完整的隔爆結(jié)構(gòu)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.2《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備，隔爆型電氣設(shè)備“d”》的規(guī)定，為驗(yàn)證隔爆型電氣設(shè)備外殼是否能承受內(nèi)部的爆炸力，需要對(duì)其進(jìn)行過(guò)壓試驗(yàn)。過(guò)壓試驗(yàn)包括靜壓試驗(yàn)和動(dòng)壓試驗(yàn)兩種，且兩種試驗(yàn)等效，任選其一即可。按照國(guó)標(biāo)規(guī)定，使用靜壓試驗(yàn)的方法進(jìn)行靜壓試驗(yàn)[1]：根據(jù)試驗(yàn)外殼件作為ⅡB類或ⅡC類的要求，對(duì)其施加1.5 MPa或2.0 MPa的壓力，并保持10～12 s，以試驗(yàn)件能夠承受壓力、不出現(xiàn)降低隔爆性能的通孔和裂紋、也不出現(xiàn)滴水現(xiàn)象為合格。

然而設(shè)計(jì)隔爆設(shè)備的外殼時(shí)，傳統(tǒng)方法往往通過(guò)粗略估算及經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，并結(jié)合靜壓試驗(yàn)結(jié)果，反復(fù)修改，反復(fù)試驗(yàn)，最終得到最合理的結(jié)構(gòu)形式與尺寸。這種方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，效率低，設(shè)計(jì)成本高。而使用有限元分析模擬靜壓試驗(yàn)配合設(shè)計(jì)，可以有效地減少設(shè)計(jì)周期和試驗(yàn)成本。

本文以SA1型號(hào)智能隔爆電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要外殼組件：控制罩蓋和箱體為例，使用ABQA?US有限元分析進(jìn)行靜壓試驗(yàn)?zāi)M仿真。

1 前處理

1.1 有限元模型的建立

在Solidworks三維CAD軟件中分別建立控制罩蓋和箱體的三維實(shí)體模型[2]，為方便有限元網(wǎng)格的劃分，去掉部分不影響整體形狀結(jié)構(gòu)的倒角和圓角，如圖1所示。

圖1 控制罩蓋和箱體的三維實(shí)體模型

利用ABAQUS軟件與Solidworks之間完善的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將三維實(shí)體模型從Solidworks中完美地導(dǎo)入到ABAQUS中，得到模型后在ABAQUS中劃分網(wǎng)格。由于模型形狀較為復(fù)雜，有較多曲面和相貫面，可采用軟件自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，軟件會(huì)根據(jù)模型自由靈活地劃分網(wǎng)格。同時(shí)，選用二次四面體單元作為網(wǎng)格單元，ABAQUS中的網(wǎng)格號(hào)為C3D10，其特點(diǎn)是適合小位移無(wú)接觸問題，且能夠保證一定的精度。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示?？刂普稚w有限元模型共劃分得54 447個(gè)節(jié)點(diǎn)，30 774個(gè)單元；箱體有限元模型共劃分得131 575個(gè)節(jié)點(diǎn)，79 217個(gè)單元。

控制罩蓋與箱體的外殼材料均為ZL104，密度為2.7×103kg/m3，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.34。

圖2 控制罩蓋和箱體的有限元模型

1.2 施加約束及荷載

分析靜壓試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件的實(shí)際受力情況可知，試驗(yàn)件在試驗(yàn)過(guò)程中受到如下幾種荷載：試驗(yàn)件腔體內(nèi)部受到2 MPa的均布靜水壓力、由水勢(shì)能差產(chǎn)生的沿壁表面從下豎直向上三角分布的水壓力和密封隔板受水壓力導(dǎo)致的對(duì)螺紋孔的拉力。

根據(jù)受力分析，在模型內(nèi)表面施加2 MPa的均布?jí)簭?qiáng)荷載模擬靜水壓力；由于模型尺寸較小，勢(shì)能差水壓力也很小，可以忽略；在螺紋孔上施加等效的剪力模擬密封隔板的拉力。

在被固定在工裝上的表面施加位移約束，限制其在x、y、z三個(gè)方向上無(wú)位移。

2 后處理

在完成建模、網(wǎng)格劃分、確定約束和荷載以后就可以對(duì)模型進(jìn)行后處理分析。后處理結(jié)果可以反映模型在靜壓試驗(yàn)下的應(yīng)力分布與變形情況。

2.1 應(yīng)力分析

后處理根據(jù)第四強(qiáng)度理論von Mises準(zhǔn)則輸出模型應(yīng)力云圖，控制罩蓋應(yīng)力云圖如圖3所示，箱體應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖3 控制罩蓋的應(yīng)力云圖

圖4 箱體的應(yīng)力云圖

從圖3中可知，控制罩蓋在靜壓試驗(yàn)下大部分范圍內(nèi)的應(yīng)力值為0.315～3.88 MPa，在螺紋孔、止口臺(tái)階等應(yīng)力集中處的應(yīng)力值為231～423 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)為462 MPa，發(fā)現(xiàn)在螺紋孔內(nèi)部。從圖4可知，箱體在靜壓試驗(yàn)下大部分范圍內(nèi)的應(yīng)力值為0.076～0.256 MPa，在小范圍應(yīng)力集中處的應(yīng)力值為128～178 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)為306 MPa，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)腔相貫處。

控制罩蓋與箱體的材料是ZL104，其許用應(yīng)力為300 MPa左右。因此可以判斷，試驗(yàn)件在靜壓試驗(yàn)過(guò)程中處于安全范圍內(nèi)。在應(yīng)力分析時(shí)發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力集中點(diǎn)可以在后續(xù)的設(shè)計(jì)中通過(guò)增加圓角倒角等使結(jié)構(gòu)圓滑過(guò)度的方式消除。

2.2 變形分析

使用軟件輸出變形量絕對(duì)值云圖[4]，控制罩蓋變形云圖如圖5所示，箱體變形云圖如圖6所示。

圖5 控制罩蓋的變形云圖

圖6 箱體的變形云圖

分析圖5控制罩蓋的變形云圖，可以發(fā)現(xiàn)，除了上通孔處4個(gè)固定在工裝上螺紋孔周圍附近的變形較小外，整個(gè)外殼的變形量為0.006 26～0.146 mm，大致趨勢(shì)是越遠(yuǎn)離工裝位置，變形越大；發(fā)生較大變形的位置有：下通孔處4個(gè)自由的螺紋孔周圍、內(nèi)孔相貫處、止口外沿處，位移量為0.188～0.250 mm；其中最大變形發(fā)生在止口外沿位置，變形量為0.250 mm。

變形罩蓋的靜壓試驗(yàn)變形分析可以發(fā)現(xiàn)：其止口部分的變形較大，較為危險(xiǎn)，可能成為隔爆的危險(xiǎn)點(diǎn)，可以考慮通過(guò)增加止口壁厚、在凸臺(tái)位置增加肋板等方式優(yōu)化設(shè)計(jì)。

分析圖6箱體的變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，模型大部分范圍內(nèi)的變形小于0.030 7 mm，僅在蝸桿腔與控制腔相貫位置和凸臺(tái)位置，變形有變大的現(xiàn)象，增大到0.071 7 mm左右。最大變形出現(xiàn)在凸臺(tái)右上角螺紋孔附近，變形量為0.123 mm。

分析箱體的變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，在靜壓試驗(yàn)過(guò)程中，箱體整體變形較為安全，僅在腔體相貫部分和凸臺(tái)螺紋孔部分有較大變形，可以考慮適當(dāng)加強(qiáng)[3]。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

公司靜壓試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，將試驗(yàn)件與工裝、密封隔板等可靠連接后，使用靜壓試驗(yàn)臺(tái)壓力泵[6]，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行靜壓試驗(yàn)加載，如圖7所示。

圖7 靜壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

按照試驗(yàn)規(guī)程加載既定水壓，壓力穩(wěn)定后保壓10～12 s，觀察試驗(yàn)件是否合格。圖8所示為靜壓試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件出現(xiàn)的一些破壞不合格現(xiàn)象[7]。

圖8（a）所示是在位于凸臺(tái)圓角處出現(xiàn)的裂紋，按照有限元分析，此處的應(yīng)力與變形往往較大，在試驗(yàn)過(guò)程中確實(shí)有可能出現(xiàn)破壞；圖8（b）8（c）所示為殼體壁上出現(xiàn)的裂紋和通孔，破壞原因可能來(lái)自鑄造缺陷[5]。

4 結(jié)論

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836要求，使用有限元方法，對(duì)隔爆性電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼部件進(jìn)行靜壓試驗(yàn)仿真模擬，可以快速得到仿真計(jì)算結(jié)果。通過(guò)應(yīng)力、變形分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行優(yōu)化，得出最合理的隔爆結(jié)構(gòu)尺寸。相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，減少了因反復(fù)進(jìn)行靜壓試驗(yàn)而造成的成本增加和設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)，為企業(yè)有效地減少設(shè)計(jì)成本。

圖8 靜壓試驗(yàn)不合格產(chǎn)品

參考文獻(xiàn)：

［1］宋榮敏，張顯力.IEC 60079-1《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分：隔爆型外殼”d”》2001第4版介紹（續(xù)）［J］.電氣防爆，2004（3）：30-35.

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［6］王元.隔爆型產(chǎn)品外殼水壓試驗(yàn)及其試驗(yàn)裝置［J］.電氣防爆，2017（02）：28-30.

［7］魏家盛，郜志倫，謝曉川.淺談隔爆型和外殼防護(hù)型的差異［J］.電氣防爆，2015（4）：15-17.