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设计与工艺?基于 ANSYS的隔爆外壳强度设计
基于 ANSYS的隔爆外壳强度设计
龙再萌,钱松
(中煤科工集团上海研究院检测中心,上海201401)
[关键词 l ANSYS;有限元分析;防爆外壳;强度设计
[摘要]简单介绍了采用 ANSYS軟件对隔爆売体的强度进行有限元分析的过程,并根
据分析结果对结构存在的缺陷进行了改进。
[中图分类号]TM503[文献标识码]A[文章编号]1004-9118(2013)04-0023-03
Strength Design of Flameproof Enclosure Based on ANSYS
ong Zai-meng, Qian Song
(China Coal Technology& Engineering Group Shanghai Research Institute, Shanghai 201401)
Key words: ANSYS; finite element analysis; explosion proof enclosure; strength design
Abstract Briefly introduces finite element analysis process on strength design of flameproof en-
closure via ANSYS software, improves the exist defects according to analysis result
0引言
运行、观察计算结果及可视化输出等这样非常规范
的流程来执行2。利用 ANSYS软件,可以方便地建
由隔爆外壳保护的电气设备在爆炸危险场所立隔爆壳体的有限元模型,针对性地施加各种载荷,
大量使用,隔爆外壳设计的合理性、可靠性直接决对其进行各种分析,并将分析结构以可视化的形式
定了产品的安全性能。然而,在常规的设计输出,直观地了解结构的变形及受力情况,供用户有
中,由于各种原因,如设计人员的经验不足、考虑针对性地改进产品结构?。
不周、计算中的疏忽等,很容易造成隔爆外壳强度
的不足,导致设备安全性能不符合要求,通不过耐
建模及参数设定
压试验。制造企业有时为了保证通过试验,设计
本文采用 ANSYS12.0为设计平台,以最简单
相当保守,又会造成设备笨重、成本高昂等副作的隔爆外壳为例,介绍隔爆外売强度有限元分析
用。因此,合理、可靠地对隔爆外壳的强度进行计的方法。假设有一方形隔爆外壳,其主腔尺寸为
算是非常有必要的,但是在常规的设计中,如果要800mmx600mmx600mm,无加强筋结构,螺栓
全面地分析强度,计算量很大,容易出错,并且结紧固法兰。初步设计其钢板厚度为10mm,采用
果不具有可视性。
Q235A钢,材料的弹性模量为200CPa,泊松比为
而有限元分析技术,则可以很好地完成这类工0.34。施加的载荷,即隔爆壳体内的爆炸压力,
作,以 ANSYS软件为例,开始一个有限元的分析非根据GB3836.2-2010的要求,简单地按
常简单,只要用户具有几何结构、材料变形性能的基1000kPa计算?。
本知识,拥有一个有限元分析软件和计算机硬件平
在隔爆外壳内部发生爆炸时,由于爆炸空间相
台,就可以按照几何(画图)描述单元选择及剖分、对较小,爆炸冲击波传递时间极短,且各受力点距
设定几何约束及施加外力、选择算法(可以默认)及离相对爆炸波范围很小,可以认为所有部位同时受
[收稿日期]2013-06-03
作者简介]龙再萌,女,1987年生,2009年毕业于上海海事大学,助理工程师,主要从事防爆电气设备检測检验和技术管理工作。
《电气防爆》2013年12月第4期
力,且受力相同,因此,可以将其简化为受均匀分布外壳厚度增加到20mm时,变形只有1.77mm。
压力的薄壁売体,同时忽略壳体上的按钮、轴等零而在中部设置十字形加强筋时,假设加强筋强度
件对其强度的影响。同时,在设计时,各面的厚足够,受力时不会发生变形,在厚度不变的情况
度一般都相同,因此以面积最大的一面作为分析对下,中间的变形只有0.89mm,效果相当理想。
象?。根据结构的特点,考虑采用SHEL93单元
来模拟壳体,单元的每个节点有6个自由度,可以
在X、Y、Z方向上移动和转动,具有塑性、应力钢
化、大变形和大应力的功能。,正好符合壳体的特
点。由于这一结构受力情况简单,可以采用比较
稀疏的网格划分即可基本准确地分析其受力情况,
因此在X、Y方向上各划分20段即能满足要求,刘
分网格后的模型如图1所示。
图3应力云图
在变形云图上,受力面的长边中部的应力最
大,为1340MPa,远远大于Q235A材料的抗拉强
度375MPa,而这也往往是试验时最容易发生破
裂的位置,与实际情况相符。针对这一情况,需要
采取相应措施来进行加强。当加厚到20mm或
者加十字形加强筋时,最大的应力仍然达到337
MPa,虽然没超过抗拉强度,但是超过了屈服强度
图1划分网格后的模型
235MPa,壳体仍然会发生不可恢复的变形。如
由于壳体单面的四周均与其余各面焊接牢果简单地加强壳体厚度,需要更多的材料,成本增
固,在受力时,由于各面相互作用,分析时假设其加明显,因此考虑设置更密集的加强筋,如用
不会变形,对其四周均施加line约束,限制其四周“井”形加强筋将该面均匀划分。中部最大的面
的位移和转动。对其面上施加均匀分布的压力载积为300mm×200mm,此时最大应力为162
荷,大小为1000kPa,方向为外侧。
MPa,为材料屈服强度的68.9%,有足够的强度保
2有限元分析及后处理
证结构的安全,该区域的最大位移0.2mm,变形
控制很好。可以认为结构强度符合要求。
依次建立模型、划分网格、施加约東,设定载3总结
荷后,就可进行有限元分析,求解后,可以得到隔
爆壳体的变形云图与应力云图,见图2和图3。
通过这个简单的例子,可以发现,采用AN-
SYS软件可以直观地分析壳体的变形情况及受力
情况,并且能够方便地调节各参数,以改进设计方
案,极大地提高了强度分析的效率。
但是这些工作需要正确地分析隔爆壳体结构
的特点,尤其是特殊的受力特点,准确地了解载荷
的分布情况,如受力位置、分布情况、载荷大
小;同时,还要了解材料的力学性能。这些是
图2变形云图
满足发电机的励磁需要。
通过变形云图,我们可以清楚地看到受力面
计算机无法替代的工作,需要设计人员有足
中部的位移最大,为13.98mm,这一变形较大,可够的经验,从多种渠道去获取这些信息。
能会影响到壳体的结构,说明壳体的刚度欠缺,需
在运用软件分析时,需要根据隔爆壳体结构特
要通过采取补救措施进行加强,可以通过加强壳点,正确地选择单元的类型,合理地建立模型,并能
体厚度或者设置加强筋的方法实现。例如,当把
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