鑄造鋁合金壓力容器爆破設(shè)計(jì)分析*

陳元杰，吳 偉，王國(guó)平

(上海齊達(dá)重型裝備有限公司，上海 201411)

0 引 言

SF6能使有電位差的電極間保持絕緣，氣體絕緣遭破壞后有自恢復(fù)能力，它有電容率穩(wěn)定、介質(zhì)損耗極小、不燃、不爆、化學(xué)穩(wěn)定性好、不老化等優(yōu)點(diǎn)，是極好的絕緣材料，廣泛應(yīng)用于高壓氣體絕緣開(kāi)關(guān)行業(yè)。但隨著人們對(duì)環(huán)境與健康問(wèn)題的越來(lái)越重視，其密度大不易擴(kuò)散有窒息中毒風(fēng)險(xiǎn)，電場(chǎng)中分解為釋放劇毒和腐蝕性氣體，以及對(duì)溫室效應(yīng)的不良影響，SF6逐漸被其他氣體替代將成為趨勢(shì)。越來(lái)越多的高壓開(kāi)關(guān)生產(chǎn)企業(yè)積極投入到環(huán)境友好型氣體絕緣開(kāi)關(guān)的研發(fā)與生產(chǎn)當(dāng)中，例如：空氣、氮?dú)?、惰性氣體(He，Ar, Xe, Kr),CF3I等相關(guān)產(chǎn)品已陸續(xù)推廣使用。

為了保證其他氣體絕緣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)達(dá)到與SF6相同的絕緣水平，需要將殼體絕緣氣體工作壓力相應(yīng)提高，對(duì)于鑄造鋁制壓力容器，其爆破壓力則要相應(yīng)提高5倍，現(xiàn)有系列產(chǎn)品將很難滿足爆破試驗(yàn)的要求，所以需要基于現(xiàn)有承壓殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)甚至重新設(shè)計(jì)殼體以滿足內(nèi)部導(dǎo)體布置，電場(chǎng)分布以及強(qiáng)度要求。鑄造模具在殼體制造成本有一定占比，而對(duì)于金屬鑄造類(lèi)殼體，其模具費(fèi)用不容忽視，所以最理想的結(jié)果是基于已有模具，適當(dāng)優(yōu)化加強(qiáng)后壓力提升后設(shè)備強(qiáng)度得到滿足。筆者基于現(xiàn)有一款鋁合金鑄造殼體，進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，工藝改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足了新的使用要求，為供應(yīng)商以及開(kāi)關(guān)廠家節(jié)省了時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。

1 設(shè)計(jì)要求及參數(shù)

該鑄造鋁合金殼體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1, 由于其特殊的外形結(jié)構(gòu)，很難實(shí)現(xiàn)金屬模鑄造，又因其底部不規(guī)則三角形布置，致使砂模鑄造爆破合格率極低，供應(yīng)商鑄造殼報(bào)廢率極高，設(shè)備成本居高不下。由于此殼體使用量較大，外加新氣體引起的產(chǎn)品迭代需求，決定對(duì)其優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)由沙漠鑄造該金屬模鑄造的同時(shí)，提高其耐爆破試驗(yàn)壓力的能力，從而滿足環(huán)保與使用要求。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

有限元模型與加載如圖1所示。

圖1 有限元模型與加載

應(yīng)用有限元計(jì)算軟件ANSYS，建立與爆破試驗(yàn)一致的模型，殼體上每個(gè)開(kāi)孔配備水壓盲板以及高強(qiáng)度螺栓螺母。在試壓蓋板的一個(gè)邊上施加遠(yuǎn)端位移約束，所有螺栓施加預(yù)緊力以模擬校核試壓工況時(shí)的泄露情況，設(shè)備內(nèi)表面施加5倍設(shè)計(jì)壓力[3]。見(jiàn)圖1。

表1 鑄鋁合金外殼設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 有限元分析結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，不計(jì)應(yīng)力畸點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)值416 MPa，最大主應(yīng)力正好位于進(jìn)行了較大修改的大法蘭頸部位置，其數(shù)值為350 MPa，遠(yuǎn)大于材料的抗拉強(qiáng)度290 MPa，所以此殼體雖然能實(shí)現(xiàn)金屬模具制造，但強(qiáng)度不滿足爆破試驗(yàn)要求，需要繼續(xù)優(yōu)化。見(jiàn)圖2。

圖2 有限元初步計(jì)算結(jié)果

2.3 基于有限元結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1) 對(duì)以上鑄鋁殼體進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示:對(duì)比上步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在圖3(a)位置增加的材料并不能有效降低此處的最大主應(yīng)力數(shù)值，但對(duì)于高應(yīng)力區(qū)域占此處厚度的比例卻能降低很多，基于經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)高應(yīng)力區(qū)域在此位置截面上所占的比例不超過(guò)1/4時(shí)，此位置在爆破試驗(yàn)時(shí)可以保證安全不破裂；圖3(b)位置增加頸部局部厚度后，對(duì)其最大主應(yīng)力有明顯的改善作用，其最大主因應(yīng)力數(shù)值由350 MPa降低到300 MPa，但仍然大于材料的抗拉強(qiáng)度，爆破試驗(yàn)通過(guò)有很大風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

(2) 基于2.3 (1)條的計(jì)算結(jié)果，在大法蘭頸部位置內(nèi)外同步加強(qiáng)，內(nèi)部(圖4(a))：在電場(chǎng)允許的情況下增加月牙形材料加強(qiáng)，外部(圖4(b))：增加足夠的材料，并在局部留水滴狀凹坑，提供足夠空間用于螺栓擰緊。其應(yīng)力分布如圖4(c )和 圖4(d)。大法蘭頸部?jī)?nèi)部最大主應(yīng)力約270 MPa，略小于材料抗拉強(qiáng)度，但是頸部外表面最大主應(yīng)力并沒(méi)有得到改善，仍然在300 MPa。有圖4(e)設(shè)備在爆破壓力下的變形圖得知，由于在大法蘭頸部做了做夠的加強(qiáng)，此處剛度過(guò)大，設(shè)備兩側(cè)由于約束少，剛度小，會(huì)將力傳遞到法蘭頸部附近，造成此處主應(yīng)力過(guò)大。所以單純的補(bǔ)強(qiáng)薄弱位置有時(shí)會(huì)起到相反的作用，要綜合考慮，最大限度做到各處應(yīng)力水平相當(dāng)。

圖3 有限元初步優(yōu)化結(jié)果

(3) 基于2.3 (1)條計(jì)算結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化，參照?qǐng)D4(e)變形趨勢(shì)圖，在兩側(cè)薄弱位置增加肋筋見(jiàn)圖5(a)，保留如圖4(b)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，取消圖4(a)所示的加強(qiáng)材料以適當(dāng)降低此處的剛度，更好的滿足變形協(xié)調(diào)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5(b)～(d)，無(wú)論是大法蘭頸部(圖4(d))位置還是圖3(c)所示的高應(yīng)力區(qū)域，其主應(yīng)力得到很大的改善，數(shù)值為276 MPa，小于金屬模鑄造材料的抗拉強(qiáng)度290 MPa。各法蘭密封面變形之后的間隙值未超過(guò)有試驗(yàn)積累的判據(jù)值，密封性能有保障，判斷優(yōu)化后的鑄造殼體基本可以滿足強(qiáng)度與密封性要求。

圖4 有限元優(yōu)化結(jié)果

圖5 有限元初步優(yōu)化結(jié)果

3 鑄造工藝優(yōu)化

由于此殼體使用了外部金屬型鑄造，內(nèi)部砂模鑄造工藝，其材料抗拉強(qiáng)度完全按照內(nèi)外金屬型鑄造的材料等級(jí)判定略顯不妥，另外，由于此高應(yīng)力區(qū)域鑄造厚度較大，實(shí)際鑄造容易有鑄造缺陷，所以此處必須給與足夠重視，確保供應(yīng)商工藝穩(wěn)定，才可以作為批量生產(chǎn)的質(zhì)量保證。為此，與供應(yīng)商溝通，需要在此位置設(shè)置冷鐵，加快鑄造時(shí)的冷卻速度，保證無(wú)粗大晶粒，并指定此處的材料抗拉強(qiáng)度不得低于280 MPa。圖6為拉伸試樣結(jié)果。

圖6 拉伸試樣結(jié)果顯示

4 檢驗(yàn)與試驗(yàn)

設(shè)備檢驗(yàn)包括尺寸檢驗(yàn)，缺陷檢測(cè)，試樣材料化學(xué)成分與力學(xué)性能檢驗(yàn)。只有保證設(shè)備尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相符，其仿真計(jì)算才能準(zhǔn)確反映設(shè)備的實(shí)際受力情況，由于鑄件形狀復(fù)雜，難以準(zhǔn)確檢驗(yàn)所有尺寸，故采用了3坐標(biāo)掃描全設(shè)備，并與實(shí)際3維模型對(duì)照，見(jiàn)圖7；無(wú)損檢測(cè)使用了實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)，確保設(shè)備無(wú)不可接受的缺陷，這也是保證首樣以及批量產(chǎn)品滿足使用要求的前提，材料檢驗(yàn)在幾臺(tái)首樣設(shè)備爆破后取樣復(fù)檢。

考慮到單獨(dú)鑄造隨設(shè)備附帶試棒的散熱情況與設(shè)備高應(yīng)力大壁厚位置實(shí)際鑄造散熱情況存在明顯差異，不能完全反應(yīng)設(shè)備關(guān)鍵位置的材料性能。設(shè)備批量生產(chǎn)不同于首樣，不可能在每次鑄造時(shí)破壞設(shè)備準(zhǔn)備試樣來(lái)驗(yàn)證材料的實(shí)際抗拉強(qiáng)度，為此，制備了大量試樣(如表2所列)，用于建立此供應(yīng)商此材料抗拉強(qiáng)度與材料硬度的對(duì)應(yīng)曲線，對(duì)于批量檢驗(yàn)，只需要在關(guān)鍵位置檢測(cè)硬度既可判斷材料力學(xué)性能是否滿足要求，對(duì)于設(shè)備其余位置，也可以在不破壞設(shè)備的情況下，測(cè)量硬度以達(dá)到判斷材料強(qiáng)度的目的。

表2 抗拉強(qiáng)度與布氏硬度關(guān)系試樣

經(jīng)爆破試驗(yàn)，設(shè)備出現(xiàn)裂紋起始位置與仿真計(jì)算的最大主應(yīng)力位置相同(見(jiàn)圖8)，且?guī)着_(tái)設(shè)備的爆破最低值比計(jì)算值大0.4 MPa，設(shè)備滿足要求。

圖7 尺寸檢驗(yàn)顯示

圖8 爆破樣品

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)鑄造鋁合金壓力容器的優(yōu)化過(guò)程以及后期檢驗(yàn)等做了簡(jiǎn)要的分析，其中只保留了設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵幾步，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)于設(shè)計(jì)研發(fā)人員系統(tǒng)思維，重視工藝過(guò)程控制以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累與運(yùn)用，重要檢驗(yàn)驗(yàn)收指標(biāo)的定義都有重要的參考價(jià)值。

通過(guò)上述分析得出結(jié)論如下。

(1) 鑄造殼體設(shè)計(jì)，不能單純的加強(qiáng)薄弱位置，需要系統(tǒng)分析，綜合考量。

(2) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累是仿真無(wú)限擬合實(shí)際的關(guān)鍵。

(3) 鑄造殼體由于材料性能很大程度上與供應(yīng)商的工藝控制有直接關(guān)系，所以要針對(duì)不同供應(yīng)商，針對(duì)不用材料建立相對(duì)真實(shí)的數(shù)據(jù)參照。

(4) 為了避免過(guò)大的彎曲應(yīng)力，設(shè)備盡量呈圓形，避免局部結(jié)構(gòu)剛度過(guò)大引起過(guò)大局部應(yīng)力。

(5) 鑄造殼體爆破試驗(yàn)裂紋走勢(shì)并不能完全反映設(shè)備實(shí)際應(yīng)力分布，只有裂紋起始位置與仿真相符，即代表其計(jì)算與實(shí)際得到吻合。