DN80型燃?xì)怆姶砰y可靠性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張克軍，劉建飛，張 雙

(.遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

燃?xì)怆姶砰y作為燃?xì)庀到y(tǒng)的重要零部件，其綜合性能的評(píng)價(jià)和分析是重要的關(guān)鍵步驟，在設(shè)計(jì)和制造之前對其進(jìn)行分析，找到薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)變量數(shù)值，對燃?xì)怆姶砰y的安全性能具有重要的作用。陳雪勇對燃?xì)怆姶砰y的芯軸進(jìn)行了仿真分析，并提出了改進(jìn)策略[1-2]；王小江通過對ESD閥的工作機(jī)構(gòu)可靠性進(jìn)行分析，并提出了提高ESD閥可靠性的措施[3]；劉文提出了一種耦合仿真建模方法，在動(dòng)態(tài)載荷的基礎(chǔ)上對燃?xì)夤┙o系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析[4]?；谖墨I(xiàn)現(xiàn)有進(jìn)展可知，基于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的燃?xì)怆姶砰y分析極少，多以經(jīng)驗(yàn)計(jì)算為主，本文以燃?xì)怆姶砰y作為研究對象，建立電磁閥有限元模型，對其進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最優(yōu)的電磁閥模型參數(shù)。

1 可靠性理論

可靠性分析是機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中重要的步驟，進(jìn)行可靠性分析可以更加精確的評(píng)價(jià)機(jī)械零部件的狀態(tài)，在設(shè)計(jì)階段對其進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，若可靠度較低，可以在制造物理樣機(jī)之前，在軟件環(huán)境下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的模型結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省研發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。典型的應(yīng)力分布h(s)和強(qiáng)度分布f(S)構(gòu)成的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉關(guān)系示意圖如圖1所示。

可以得到強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率的可靠度計(jì)算公式為：

(1)

一般認(rèn)為應(yīng)力和強(qiáng)度服從正態(tài)分布規(guī)律，可靠度計(jì)算公式可轉(zhuǎn)化為：

(2)

2 燃?xì)怆姶砰y三維建模及有限元分析

Ansys workbench雖然具備三維建模的模塊，但是其操作復(fù)雜，且在曲線繪制和曲面建模的功能上功效效率較低，所以本文采用UG進(jìn)行建模，通過格式導(dǎo)入的方式導(dǎo)入到Ansys workbench中，這樣可以發(fā)揮各個(gè)軟件的優(yōu)勢，提高工作效率。通過Ansys workbench的geometry幾何模塊和static structural靜力分析模塊進(jìn)行導(dǎo)入模型和有限元分析，得到可視化的燃?xì)怆姶砰y有限元分析結(jié)果。

2.1 燃?xì)怆姶砰y有限元網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ)，建立合適的有限元網(wǎng)格模型一方面可以得到高質(zhì)量的網(wǎng)格單元，另一方面可以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，提高分析效率。本文在綜合考慮各種因素的基礎(chǔ)之上，選取網(wǎng)格大小(Element Size)為5 mm，選取自適應(yīng)網(wǎng)格，得到燃?xì)怆姶砰y有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，其中包括96 403個(gè)單元(Elements)和166 207個(gè)節(jié)點(diǎn)(Nodes)。

2.2 電磁閥有限元分析結(jié)果

有限分析中，約束和加載對分析結(jié)果有著重要的影響，電磁閥通過螺栓組進(jìn)行固定，多以在此處設(shè)置固定約束，在電磁閥的內(nèi)表面加載大小為0.6 MPa的壓力，對其進(jìn)行求解，獲得等效應(yīng)力和變形云圖如圖3～圖4所示。

由圖3～圖4的分析云圖結(jié)果可知，其等效應(yīng)力最大值為65.797 MPa，位于燃?xì)怆姶砰y的內(nèi)腔處；最大的變形量為0.110 92 mm，位于燃?xì)怆姶砰y的外閥體處。通過公式(1)～(2)得到燃?xì)怆姶砰y的可靠度為0.942。發(fā)現(xiàn)其等效應(yīng)力位置和變形最大位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對該關(guān)鍵位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其可靠度[5-6]。

3 燃?xì)怆姶砰y結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 電磁閥設(shè)計(jì)變量的選取

基于電磁閥有限元分析結(jié)果，可以得到電磁閥的薄弱位置，共有2處，分別為等效應(yīng)力集中處和變形較大處，如圖5所示。影響該處可靠度的主要因素為尺寸參數(shù)[7]，所以定義設(shè)計(jì)變量為倒圓角R1和倒圓角R2。

3.2 基于Matlab的電磁閥優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要對不同的設(shè)計(jì)變量值進(jìn)行仿真分析，可以得到不同設(shè)計(jì)變量對應(yīng)的等效應(yīng)力集中處和變形量，建立不同的倒圓角R1和倒圓角R2數(shù)值，綜合選取Polynomial(多項(xiàng)式算法)，該算法能更好的精確計(jì)算此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，得到不同倒圓角R1對應(yīng)的等效應(yīng)力和變形量如圖6所示，不同倒圓角R2對應(yīng)的等效應(yīng)力和變形量如圖7所示。

由圖6～圖7可知，在倒圓角R1為數(shù)值4.0 mm時(shí)，倒圓角R2為數(shù)值4.8 mm時(shí)，等效應(yīng)力和變形量為最低，綜合考慮設(shè)計(jì)和制造因素，進(jìn)行圓整，選取倒圓角R1為4.0 mm，倒圓角R2為5.0 mm為設(shè)計(jì)變量最優(yōu)值。重新建立電磁閥的有限元模型，對其進(jìn)行分析和加載，可得到優(yōu)化后電磁閥等效應(yīng)力云圖和變形云圖如圖8～圖9所示。

由圖8～圖9可知，優(yōu)化后電磁閥等效應(yīng)力最大值由65.797 MPa降低到為13.575 MPa，最大的變形量為由0.110 92 mm降低到為0.004 332 6 mm，可靠度由0.942提高到0.995，優(yōu)化后的電磁閥整體性能得到提高。

4 結(jié)論

本文建立了DN80燃?xì)怆姶砰y的有限元模型，對其進(jìn)行劃分網(wǎng)格、添加約束和加載等操作，得到了其等效應(yīng)力和變形云圖，基于有限元分析結(jié)果，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到的結(jié)論如下：

1)利用ansys workbench對燃?xì)怆姶砰y進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)其等效應(yīng)力和變形最大位置分別為65.797 MPa和0.110 92 mm，可靠度為0.942需要對該應(yīng)力集中位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其可靠度。

2)基于有限元分析結(jié)果和可靠度計(jì)算結(jié)果，對燃?xì)怆姶砰y的應(yīng)力集中位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分別添加倒圓角R1和倒圓角R2，再次對其進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)，等效應(yīng)力由65.797 MPa降低為13.575 MPa，最大的變形量為由0.110 92 mm降低為0.004 332 6 mm，可靠度由0.942提高到0.995，優(yōu)化后的電磁閥整體性能得到提高。