基于有限元法的矿用隔爆型圆筒形外壳设计

副标题#e#   0引言
  
   矿用隔爆型电气设备用于煤矿井下，其隔爆性能是通过隔爆外壳来实现的。隔爆外壳要承受1MPa试验压力，因此。必须具有足够的强度和刚性．就使得科学合理的设计该类外壳在煤矿的安全生产中是至关重要的。
  
   隔爆外壳必须具备如下基本特性：
  
   (1)隔爆性，即壳内发生爆炸时，隔爆外壳应能有效地阻止内部的爆炸压力向外壳周围爆炸性混合物传播；
  
   (2)热传导性，即应保证正常运行和壳内发生爆炸时，外壳的表面温度低于周围介质的引燃温度；
  
   (3)耐爆性，要求外壳有足够的强度和刚度来承受内腔的爆炸压力，而不发生明显的变形或破裂。
  
   以往大多采用经验或类比法进行设计，不能准确计算出各部分的受力情况，在设计时为安全起见，往往加大安全系数。这使得壳体结构笨重．并且具有很大的盲目性，浪费材料，增加了生产成本。
  
   圆筒形隔爆外壳较方形结构具有受力均匀、结构简单、壳体内结构紧凑等优点，现今小型隔爆型电气设备大多采用这种圆筒形结构。
  
   本文利用弹塑性力学理论对外壳进行初步设计，得出外壳的壳体壁厚、法兰厚度等初始参数。再利用Solidworks软件进行三维建模，然后在COSMOSworks软件中进行有限元分析，根据分析结果对壳体进行改进，收到了满意的效果。
  
   1圆筒形隔爆外壳的强度、刚度设计
  
   根据爆炸性气体环境用电气设备国家标准(GB 3836．2-2000)，含有瓦斯的爆炸性气体混合物爆炸时的最大压力，一般在0．8 MPa左右。爆炸外壳失效主要是强度不足和刚度不足造成的。
  
   1.1强度设计
  
   圆筒形隔爆外壳由圆筒形壳壁、壳底、法兰和壳盖组成。如图l所示。
  

   1.1.1圆筒形壳壁的强度设计
  
   隔爆外壳的圆筒形壁厚一般取t=3~6 mm，内径D1=200~700 mm，工业中薄壁容器规定t/D=0．05，因此，圆筒形壳壁属薄壁容器范畴。根据弹性力学薄壁圆筒理论可知，
  

   在薄壁圆筒结构中。在相对于P1、P2的第三个方向上作用于内壁的内压力q和外壁上的大气压力都远小于P1、P2(可以认为是零)。主应力为p1、P2、P3，且PI>p2>p3，根据第四强度理论的强度条件，有
  

   把平均直径代入式D=Da+t(3)得薄壁圆筒的壁厚理论值
   

   考虑到外壳在实际加工过程中焊缝对强度的削弱，钢板负公差、圆筒在卷圆过程中工艺减薄量和腐蚀等因素对强度的影响，薄壁圆壳的实际壁厚为
  

   1.1.2壳底和壳盖的强度设计
  
   球形壳底在圆筒形防爆外壳上应用较广．它由球冠冲压钢板成型，而后与简体焊接。所受的力如图1所示。据薄壁球壳理论可知，球壳的径向应力和切向应力为
  

   
   同理，考虑加工过程中诸因素对壳底强度的影响。另外，由于壳底和法兰两者厚度相差较大，如果其连接断面发生阶梯性突变，将产生应力集中。也将影响壳底的强度，所以，球形端盖(壳底)的实际壁厚为