基于有限元法的矿用隔爆型圆筒形外壳设计

   3．2预处理
  
   GB 3836规定。I类壳体的试验压力为l MPa水压。由于壳体在进行水压试验时是逐步缓慢加载至最大，并保持以30 s上．所以分析类型确定为静力分析。在进行试验时，壳体和壳盖的试验分别进行，固定法兰的隔爆面，然后向实体内部加l MPa水压，观察壳体和盖产生的变形。在有限元分析时，固定壳体和盖的法兰面。载荷是向简体、壳底和壳盖的内壁加载垂直于内壁的l MPa的压力。外壳自重以及水本身产生的压力相对于试验压力来说很小，对其应力和变形影响也很小。可以忽略不计，仅视为对外壳和壳盖内侧表面施加压力。
  
   接着进行网格划分。单元类型的选择取决于结构的几何形状以及所要求的精度，由于圆筒形的壳体受力比较均匀，故采用系统默认的网格设定参数。
  
   3．3后处理
  
   将有限元分析的初始化设置完成后，运行计算，得到分析结果。COSMOSworks在管理器里生成应力图解，如图5所示。
  

   由图5可以看出，壳体最薄弱的部位是在壳体与接线腔交界处，应力为91．4 MPa。而其他部位应力都较低，应力数值主要介于1．94×1000Pa与4．937x 10000000Pa之间。壳盖产生的最大应力为17．58Mpa，都远远低于材料的许用应力2．0 x 10000000 Pa。
  
   可以看出壁厚5 mm的壳体和壳盖，虽然能满足强度的需要，但却有较多的强度储备，造成材料的浪费。
  
   4结构的改进
  
   通过上面的有限元分析，外壳和壳盖各部位的应力都已清楚地表示。在此基础上进行结构的改进。首先降低外壳整体的应力储备，再对改后的壳体和壳盖进行有限元分析，将求得的结果与改前的结果进行比较。由于5姗的板厚储存的强度较多，将板厚改为4 mm，进行整体的减重。通过图6、图7可以看出，将壁厚改为4mm后，壳体整体产生的应力分布在2．152×1000Pa~1．072X 100000000 Pa，壳盖的应力分布为7．49X 1000Pa-2．379X 10000000 Pa。较之5mm壁厚的结构，应力储备明显降低。外壳的重量分别有了明显的降低，壳体减少了10．26％，壳盖减少了13．04％。壳体改进前后的结果见表l和表2。
  

   5结束语
  
   本文所研究的QBZM-80／660N矿用隔爆型真空可逆电磁启动器是某公司新开发的设备。外壳在设计过程中，首次使用弹塑性力学理论与有限元分析相结合的方法，将外壳的强度、刚度设计建立在受力分析的基础上，同时考虑了加工过程中诸因素对外壳强度、刚度的影响，得出了该类外壳的设计计算公式。
  

   初步设计的产品运用三维建模之后，再利用有限元分析，对外壳进行改进，使产品最后成型。设计出来的产品通过外壳耐压试验和隔爆试验，以及最后用于实际生产中，都验证其完全满足强度等要求，取得了很好的效果。
  
   可见首先将弹塑性力学运用到外壳的设计，再利用有限元法进行验证，可以有效的改进结构，降低了外壳的重量，从而达到了降低企业成本，节省资源的目的。可为设计该类产品开发提供借鉴。