電熱內膽仿真分析

王羽 曹冠忠 王德君 田海燕 荊彥濤 張洪烈

（1.青島經濟技術開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司，山東青島 266101；2.數字化家電國家重點實驗室，山東青島 266100）

在工業(yè)設計越來越數字化的今天，運用新技術進行產品設計便成為了一種趨勢。仿真技術可以在產品設計前期對產品存在的缺陷進行高精度的預估，相比于傳統設計，減少了實驗流程，能夠縮短產品設計周期，降低開發(fā)成本。該技術逐漸成為工程師進行前期設計的一種手段，也被廣大企業(yè)所接受和認可。

在電熱水器中，內膽漏水問題一直是行業(yè)棘手的問題。對其漏水原因進行分析，焊縫區(qū)域的相當一部分漏水情況是長期使用所引起的疲勞破壞，內膽上漏水大多是內部瓷層破壞進而水腐蝕導致的，也有個別是由于強度問題引起的。如何在保證焊接質量和工藝的前提下，在設計前期對內膽強度進行全面評估就成為解決問題的關鍵。目前來說，電熱內膽的有限元分析方法及校核標準還未形成行業(yè)規(guī)范，王羽等人[1]針對母材部分進行了強度分析的探索。本文將全面闡述運用有限元手段進行電熱內膽分析，使其在前期設計階段規(guī)避掉由于強度引起的質量問題。

1 電熱內膽受力特征

電熱內膽的設計使用壽命一般是八年，這就意味著其承受的是長期的交變載荷，在這種情況下它的破壞就是疲勞應力引起的強度破壞。內膽在均布內壓作用下，其環(huán)向和軸向的“纖維”受到拉伸，存在環(huán)向應力σ0、軸向應力σm和徑向應力σr。電熱內膽一般屬于薄壁內膽，對于薄壁內膽來說，其徑向應力遠小于其它兩個方向的應力值。

對于圓筒型殼體，筒體上的環(huán)向應力σ0為：

軸向應力σm為：

其中，p為內壓，D為內膽內徑，t為內膽壁厚。

本文以深拉伸內膽為例進行闡述，這種內膽，是兩塊板料分別深拉伸成型后，對接焊而成，其焊縫僅有一道，位于內膽中筒的中間位置，為環(huán)向焊縫，在內壓下它的受力就是如圖1所示的軸向應力。

圖1 內膽受力圖

2 電熱內膽的疲勞實驗

根據電熱內膽的受力特征，分別從內膽上取相應的母材區(qū)和焊縫區(qū)的材料，按照GB/T 3075-2008《金屬材料 疲勞實驗軸向力控制方法》[2]和HB/Z 112-1986《材料疲勞實驗統計分析》[3]的標準，進行疲勞實驗，實驗在MTS-100KN 的疲勞實驗機上進行,內膽材料疲勞實驗圖如圖2 所示。

圖2 內膽材料疲勞實驗圖

對樣本的疲勞實驗數據進行處理，母材和焊縫區(qū)材料擬合的S-N 曲線如圖3、圖4 所示。實驗數據顯示，母材和焊縫區(qū)材料的應力均隨著加載次數的增加而降低，母材區(qū)下降趨勢相對較緩慢，而焊縫區(qū)下降趨勢明顯。內膽的設計使用壽命一般是八年，根據其使用頻率，企業(yè)規(guī)范里對應的總使用次數為16 萬次。本文分別從擬合的數據中提取16 萬次循環(huán)次數對應的應力，作為校核母材區(qū)和焊縫區(qū)材料強度的標準。

圖3 母材疲勞S-N 曲線

圖4 焊縫疲勞S-N 曲線

3 電熱內膽的有限元分析

本文以一電熱內膽為例，進行了正常承載下的有限元分析，其焊縫區(qū)域按照全熔透的焊接方式建模，其典型部位的有限元分析結果如下，電熱內膽有限元模型如圖5 所示，封頭過渡區(qū)應力云圖如圖6 所示，中筒部位軸向應力云圖如圖7 所示。

圖5 電熱內膽有限元模型

圖6 封頭過渡區(qū)應力云圖

有限元結果顯示，整膽的應力最大處位于上封頭過渡區(qū)，應力大小為100.2 Mpa，焊縫區(qū)應力為45.3 Mpa，根據提取的16 萬次循環(huán)次數的疲勞應力數據，整膽的校核結果如表1所示。

圖7 中筒部位軸向應力云圖

表1 電熱內膽強度校核

按照上述流程，本文以行業(yè)內部分電熱水器內膽為樣本，進行了仿真和實際情況的對標，結果顯示仿真標準滿足實際內膽在使用壽命內對強度的要求。

4 結論

在用戶使用過程中，電熱內膽的漏水問題成為了行業(yè)內一個亟待解決的問題。用仿真手段介入產品設計，能夠提前預測問題點的存在，但電熱內膽的有限元分析方法及校核標準目前還未形成行業(yè)規(guī)范。本文針對這一問題，研究內膽的受力特征，分別對內膽的母材和焊縫區(qū)材料進行了疲勞實驗，按照內膽設計使用壽命，提取出了對應使用壽命應該滿足的應力值。最后，用實例進行了仿真分析的闡述，并運用了大量的樣本進行仿真和實驗的對標，結果顯示這一分析手段滿足內膽使用壽命對強度值的要求。