應(yīng)用CAE結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)改進(jìn)薄壁箱體承載能力的探究

杜建霞 李 瓊 張紅玉 周建軍 王 寧

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

隨著新知識(shí)、新技術(shù)在裝備制造業(yè)迅速發(fā)展、應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為前提可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全數(shù)字化、無圖紙?zhí)摂M設(shè)計(jì)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的一次成功率，進(jìn)而應(yīng)對(duì)瞬息萬變的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需要。因此，當(dāng)采用現(xiàn)代裝備制造企業(yè)解決實(shí)際工程問題時(shí)，常常將以往復(fù)雜、耗時(shí)且耗資的手工計(jì)算或材料試驗(yàn)等交由CADCAE 等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)去完成。CAE 仿真技術(shù)因其具有直觀、操作簡(jiǎn)單以及快捷便利等優(yōu)點(diǎn)在技術(shù)改造、設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及新學(xué)科專業(yè)培訓(xùn)教學(xué)中得到快速發(fā)展。因此，作為新時(shí)代的機(jī)械行業(yè)技術(shù)人員，掌握用CAE 仿真技術(shù)對(duì)分析和解決實(shí)際工程問題具有重要意義。該文應(yīng)用CAE 結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)改進(jìn)薄壁箱體承載能力，以C-GIS 箱體為例，探究如何運(yùn)用CAE 結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)線彈性靜力學(xué)分析方法改進(jìn)薄壁箱體承載能力的方法。

1 C-GIS 薄壁箱體

C-GIS 箱體是由厚度為2.5 mm～3.0 mm 的6 塊不銹鋼板材組成的密封的薄壁外殼，將所有高壓部件完全密封在充滿一定壓力的絕緣氣體SF6氣箱內(nèi)，才可以適應(yīng)大溫差、高海拔、沙漠、粉塵、震動(dòng)以及腐蝕性等極其惡劣的環(huán)境。

薄壁零件因其受力、受熱極易變形這一特點(diǎn)，一定程度上制約其發(fā)展。改善C-GIS 箱體的承載能力將對(duì)提高中壓柜質(zhì)量有重大意義。C-GIS 箱體由6 塊不銹鋼薄壁面板焊接而成，因此，研究人員往往將提高箱體承載強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為對(duì)6 塊面板的承載能力研究，一般采用沖壓折彎板材或增加加強(qiáng)筋等措施來提高其承載能力。在C-GIS 箱體6 塊面板中，因?yàn)槊芊饷姘遄鳛榉庋b高壓部件的一面，開口較大，所以其強(qiáng)度受影響也最大，如果用傳統(tǒng)的制造工藝增加其強(qiáng)度，就需要經(jīng)過設(shè)計(jì)—試制—調(diào)試—再試制等步驟，不但耗時(shí)，而且成本高，無法適應(yīng)瞬息變化的市場(chǎng)需求。

2 CAE 仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

CAE 結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)是一款采用有限元方法對(duì)零部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與熱相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行仿真分析的軟件，可方便快速進(jìn)行幾何建模、模型修復(fù)、網(wǎng)格劃分以及邊界條件設(shè)置等前處理工作，求解完成后，可以利用豐富的后處理功能查看仿真結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出需要的運(yùn)算結(jié)果。CAE 仿真技術(shù)通過建造任何零部件虛擬化幾何模型，在設(shè)計(jì)其精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)樣本后，應(yīng)用彈性靜力分析法構(gòu)建零部件在不同工況下的變形-應(yīng)力-應(yīng)變分布狀況，從而得出其承載能力以及應(yīng)對(duì)措施，從根本上改變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的弊端，不僅可以降低成本，而且還可以提高效率。

3 CAE 仿真技術(shù)線彈性靜力分析法的應(yīng)用條件

3.1 線彈性靜力分析法

3.1.1 線性彈性體

當(dāng)一個(gè)物體所受荷載不超過某一限值（彈性極限）時(shí)，其所受荷載與變形呈線性關(guān)系（即材料遵從胡克定律），如果去除外加載荷后，物體沒有殘余變形的物體就稱為線性彈性體，又稱線彈性體[1]。

3.1.2 線彈性靜力學(xué)分析

線彈性靜力學(xué)分析是分析當(dāng)載荷應(yīng)用于物體時(shí)物體發(fā)生變形，載荷作用到整個(gè)物體上，研究外部載荷引起的物體的內(nèi)力和反作用力使物體達(dá)到新的靜力平衡狀態(tài)的情況，屬于力學(xué)分析方法[1]。

3.2 應(yīng)用線彈性靜力分析法的3個(gè)條件

CAE 仿真技術(shù)線彈性靜力分析法將彈性力學(xué)中通過構(gòu)建平衡方程、幾何方程以及物理方程（本構(gòu)方程）三類偏微分方程組等基本方程來描述物體在外載荷作用下的變形-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，大量高難度分析運(yùn)算交給計(jì)算機(jī)完成[2]。但是試驗(yàn)體必須滿足以下3 個(gè)條件：1） 線彈性靜力學(xué)分析是利用仿真軟件計(jì)算線彈性體在靜載荷作用條件下物體所產(chǎn)生的位移，也就是物體的變形（及由此所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變）。2） 研究對(duì)象加載的是靜載荷而非動(dòng)載荷。3） 研究的物體材料為線彈性體。

4 任務(wù)分析

4.1 箱體的受力及試驗(yàn)條件分析

4.1.1 建立受力模型

在實(shí)際工程案例分析中，為了便于分析計(jì)算，將一些機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)力學(xué)模型，例如飛機(jī)的機(jī)翼、傳力的輪齒以及塔吊等均可簡(jiǎn)化為懸臂梁，對(duì)其在載荷作用下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度，降低試驗(yàn)成本。根據(jù)該文研究對(duì)象C-GIS 箱體薄壁面板的受力狀態(tài)也可以簡(jiǎn)化為懸臂梁模型進(jìn)行研究，并不影響對(duì)提高其承載強(qiáng)度的研究思路。

4.1.2 試驗(yàn)條件分析

首先，仿真材料為304 不銹鋼，屬于金屬彈性材料范圍，符合胡克定律條件；材料屬性中彈性模量E、密度ρ以及泊松比v與線彈性靜力分析的仿真結(jié)果計(jì)算有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，屈服強(qiáng)度σs可作為仿真運(yùn)算結(jié)果是否在彈性范圍范圍之內(nèi)的對(duì)比驗(yàn)證條件。其次，薄壁面板的細(xì)長(zhǎng)比遠(yuǎn)大于10，仿真時(shí)設(shè)置的邊界條件對(duì)薄壁面板撓度分布的影響很小，仿真結(jié)果將更逼真、更接近生產(chǎn)實(shí)際需要。最后，通過改變薄壁面板的預(yù)定載荷或結(jié)構(gòu)，分析對(duì)比薄壁面板的變形和應(yīng)力變化等，從而得出試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是CAE 仿真的首要工作，其本質(zhì)是利用有限個(gè)離散的單元體來代替連續(xù)的計(jì)算域。結(jié)構(gòu)仿真過程中對(duì)模型的網(wǎng)格化處理決定仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)有限元離散原理，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量和細(xì)化程度是減小假擴(kuò)散的措施之一，決定計(jì)算精確度，也就是說網(wǎng)格的精度越精細(xì)致密，仿真的效果會(huì)越逼真，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量增加，從而影響計(jì)算速度。因此，劃分網(wǎng)格時(shí)既要保證仿真效果，也要兼顧計(jì)算速度。

4.3 仿真試驗(yàn)及強(qiáng)度分析對(duì)比

C-GIS 箱體是由6 塊薄壁面板組成的，箱體的承載能力是由6 塊面板的承載能力決定的。為了兼顧6 塊面板的承載強(qiáng)度，該試驗(yàn)選擇開口比較大的密封面板作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

4.3.1 密封面板的不加加強(qiáng)筋與增加加強(qiáng)筋的仿真試驗(yàn)對(duì)比

密封面板的材料為彈性模量E=2.0×1011P 、密度ρ=7.85×103kg/m3、泊松比v=0.32 且屈服強(qiáng)度σs=250 MPa 的線彈性材料。網(wǎng)格類型選擇四面體、高階。將密封面板的承載試驗(yàn)簡(jiǎn)化為懸臂梁進(jìn)行仿真試驗(yàn)，密封面板的一端為固定端，加載自重G；另一端為自由端，加載F=10 N 的集中載荷。圖1 為未加加強(qiáng)筋的密封面板位移云圖，圖2 為兩側(cè)各加2 條加強(qiáng)筋的密封面板的位移云圖。在相同的工況情況下，未加加強(qiáng)筋的密封面板的最大位移量為23.8 mm，如圖1 所示；兩側(cè)各加2 條加強(qiáng)筋的密封面板的最大位移量為0.289 9 mm，如圖2 所示。增加加強(qiáng)筋后密封面板的最大變形量減小了80 多倍。但是由圖2 可知，在密封面板的右側(cè)添加集中載荷F的一側(cè)，出現(xiàn)了面板上變形量最大位置，結(jié)合密封面板的實(shí)際生產(chǎn)要求，可以在對(duì)加強(qiáng)筋的數(shù)量、疏密以及方向等進(jìn)行調(diào)整后，再次進(jìn)行仿真試驗(yàn)，如圖3 所示，在密封面板的開口四側(cè)各增加1條加強(qiáng)筋，加載同樣載荷后的位移云圖。由圖3 可知，密封面板的最大位移量為0.925 7 mm，與圖2 兩側(cè)加2 條加強(qiáng)筋的位移云圖相比變形量差約為0.6 mm，但是整個(gè)密封面板避免了局部塌陷式變形量較大的情況，圖3 更符合實(shí)際生產(chǎn)需要。

圖1 未加加強(qiáng)筋的密封面板的位移云圖

圖2 兩側(cè)加2 條加強(qiáng)筋的密封面板的位移云圖

圖3 增加加強(qiáng)筋的密封面板的位移云圖

4.3.2 加強(qiáng)筋的承載方向與承載能力對(duì)比

構(gòu)建加強(qiáng)筋模型及網(wǎng)格化處理，通過CAE 軟件構(gòu)建長(zhǎng)H×寬a×高b=300mm×8mm×12mm 的實(shí)心長(zhǎng)方體加強(qiáng)筋模型。為了方便建模及后續(xù)對(duì)仿真結(jié)果分析對(duì)比方便，將梁的橫截面高度b、寬度a和長(zhǎng)度H與CAE 軟件坐標(biāo)系中的x軸、y軸和z軸一一對(duì)應(yīng)。為了增加仿真試驗(yàn)的質(zhì)量和逼真性，減少后續(xù)網(wǎng)格化的數(shù)量，建模時(shí)盡量避免對(duì)梁進(jìn)行倒角倒圓等特征處理。材料依然選擇線彈性材料，結(jié)合加強(qiáng)筋的承載及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度選擇其網(wǎng)格信息見表1，可以保證仿真結(jié)果的真實(shí)性。

表1 加強(qiáng)筋的網(wǎng)格信息表

圖4（a）為平放加載，即沿y軸方向加載集中載荷F和重力G，圖4（b）為加強(qiáng)筋豎放加載，即沿x軸方向加載集中載荷F和重力G。根據(jù)仿真位移云圖-應(yīng)力云圖-應(yīng)變能云圖得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表2。

圖4 加強(qiáng)筋平放加載和豎放加載示意圖

表2 加強(qiáng)筋平放與加強(qiáng)筋豎放加載仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表2 可知，加強(qiáng)筋豎放加載比加強(qiáng)筋平放加載產(chǎn)生的最大位移值、最大應(yīng)力值以及最大應(yīng)變能小，加強(qiáng)筋的承載能力提升約1 倍。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不改變加強(qiáng)筋形狀、結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量的前提下，只改變加強(qiáng)筋的承載方向，就可以提高薄壁面板的承載能力。

另外，當(dāng)加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力值等于屈服強(qiáng)度σs時(shí)，其最大載荷Fmax≈149.97N。當(dāng)給加強(qiáng)筋施加最大載荷Fmax，加強(qiáng)筋離散分離時(shí)的信息與表1 相同，加強(qiáng)筋橫、豎放時(shí)的最大位移、應(yīng)力以及應(yīng)變能見表3。

表3 加強(qiáng)筋橫放、豎放時(shí)Fmax 的位移、應(yīng)力、應(yīng)變能對(duì)比表

由表3 可知，當(dāng)同一根加強(qiáng)筋為豎放狀態(tài)時(shí)，承受最大載荷時(shí)所產(chǎn)生的最大位移、最大應(yīng)力及最大應(yīng)變能均小于加強(qiáng)筋橫放狀態(tài)。因此，在同等材料、結(jié)構(gòu)情況下，通過改變加強(qiáng)筋的承載方向不但可以提升承載能力，而且還可以達(dá)到節(jié)省材料的目的。

5 結(jié)語

應(yīng)用CAE 仿真軟件對(duì)C-GIS 薄壁箱體的密封面板加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)位置、疏密數(shù)量以及改變加載方向進(jìn)行仿真試驗(yàn)，可以快速模擬與生產(chǎn)實(shí)際情況更接近的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。CAE 仿真技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合就可以將晦澀難懂的偏微分方程組運(yùn)算交由計(jì)算機(jī)完成，降低了設(shè)計(jì)創(chuàng)新及試制成本，讓模擬更復(fù)雜的零部件工況仿真試驗(yàn)成為可能。

綜上所述，可以利用CAE 結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)提前對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)、材料以及載荷等進(jìn)行調(diào)整或改進(jìn)，從而提高設(shè)計(jì)速度、縮短試驗(yàn)周期以及提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的一次成功率。結(jié)構(gòu)仿真軟件因其強(qiáng)大的運(yùn)算功能和方便、快捷且直觀的造型將成為機(jī)械零部件最常用的設(shè)計(jì)改造軟件，在節(jié)省材料、零部件結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)領(lǐng)域大有可為，可以廣泛應(yīng)用于科研院所研究、職業(yè)院校專業(yè)人才培養(yǎng)及企業(yè)技術(shù)改造等領(lǐng)域。