基于Hypermesh和Abaqus的压力锅扣合强度仿真分析

龚俭龙

（佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司， 广东 佛山 528312）

基于Hypermesh和Abaqus的压力锅扣合强度仿真分析

龚俭龙

（佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司， 广东 佛山 528312）

本文以某型号压力锅为研究对象，利用Hypermesh和Abaqus仿真软件对压力锅外锅厚度分别为1.2mm和1.0mm的几何模型进行扣合强度仿真分析，结合实际水压测试工况下的内压加载方式，得到压力锅在承受不同内压载荷下的受力变形情况，从而为电压力锅扣合结构的优化提供了依据和借鉴。

压力锅；外锅；上盖；扣合强度分析

电压力锅是一种用电加热，并通过控温、控压产生一定压力来实现快速烹饪的密封式烹饪多功能锅。电压力锅主要由外锅、锅盖、内锅、加热盘、膜片、限压阀等部分组成，由于工作时锅内压力通常在70～120kPa，作为压力容器，如果外锅和上盖扣牙间的扣合强度不足，则可能会发生“爆锅”事故，造成生命和财产损失，因此其安全性备受关注。目前压力锅生产企业遵守的标准是《铝压力锅安全与性能要求》,压力锅生产企业在进行压力锅设计和生产时对压力锅的安全性作整体的分析和考虑，每款压力锅在开发过程中都需要经过破坏压力为420kPa的水压性能测试，测试环境如下图1所示。随着标准的重新修订，目前新标准下的产品破坏压力将可能修订为300kPa，从而目前的压力锅产品承压部件均有优化空间，需提前对其进行相关研究，以实现压力锅产品结构和成本的优化。

图1 水压测试工装环境

本文以某型号压力锅为研究对象，利用Hypermesh和Abaqus仿真软件对不同外锅厚度的压力锅模型进行扣合强度有限元分析，结合实际水压测试工况下的内压加载方式，得到压力锅在承受不同内压载荷下的受力变形情况，从而为电压力锅承压结构的优化提供了依据和借鉴。

1 研究技术路线

本文对压力锅扣合强度性能的研究路线如下图2所示，首先对压力锅密封承压系统进行功能分析，可以得到影响压力锅扣合性能的关键部件是外锅和上盖。从而以压力锅外锅和上盖的扣合结构系统为研究对象，进行有限元仿真分析，从而得出关键扣合部件的应力和变形情况。

图2 研究技术路线

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文利用PRO/E三维制图软件建立压力锅中扣合部件的实体模型，如图3所示，它主要包括外锅和上盖两个部件，它们之间是通过6个扣牙进行扣合的。然后通过PRO/E与Hypermesh的直接接口将实体模型导入Hypermesh中进行网格划分，从而建立压力锅外锅和上盖的有限元模型，如图4所示。整个有限元模型共有237355个shell单元，单元类型为S4R。

表1 材料参数

表2 仿真结果

图3 几何模型

图4 网格模型

2.2 材料参数

压力锅扣合部件中各个部件的材料参数见表1所示。

2.3 仿真结果

压力锅水压测试时的内压加载是随着时间变化的，整个试验测试过程需要经过五个压力载荷阶段的测试，这五个压力载荷阶段分别为正常工作压力70MPa、防护压力140MPa、泄压压力245MPa、破坏压力300MPa和极限压力420MPa。

本仿真针对外锅和上盖扣合的有限元模型，以实际水压测试工况下的内压加载方式进行加载，从而计算出外锅厚度分别为1.2mm和1.0mm时的扣合强度仿真结果，两组试验仿真结果如下表2所示。

从表2可以看出，随着压力锅内压载荷逐渐增大，外锅上的最大应力值、最大位移量和最大应变值都会随之增加。

从图5～7可以看出，随着压力锅外锅厚度的减薄，外锅与上盖之间的扣合强度性能也随之减弱。

图5 内压载荷-外锅最大应力曲线

图6 内压载荷-外锅变形量曲线

从图5～7可以看出，1.2mm厚的外锅大致在420kPa工况下发生脱扣现象；1.0mm厚的外锅在420kPa工况下，早已经发生卡扣脱扣现象，且发生卡扣脱扣现象大致在346kPa左右。

从表2和表3可以看出，1.2mm厚的外锅，在300kPa工况下，外锅的最大位移量为4.239mm，最大应变为0.038，最大等效应力为237kPa，综合考虑下存在一定量的优化空间；1.0mm厚的外锅，在300kPa工况下，外锅的最大位移量为9.85mm，最大应变为0.065，最大等效应力为254kPa，综合考虑下发生卡扣脱扣风险不大，但需进一步实验测试验证。

图7 内压载荷-外锅最大应变曲线

3 实验测试验证

图8 水压测试

图9 最大承压载荷

图10 实验-扣牙脱扣

图11 仿真-扣牙脱扣

表3 仿真结果

图12 实验-外锅扣牙变形

图13 仿真-外锅扣牙变形

从图8和图9可以看出，某型号压力锅在特制的金属笼中进行水压性能测试。其中1.2mm厚的外锅在水压性能测试时，大致在415kPa工况下发生脱扣，而仿真分析中发生脱扣的载荷是420kPa，两者相差1.2%；从图10和图11可以看出，压力锅最先脱扣处都发生在防呆处对面扣牙处，而仿真分析中最先发生脱扣也是在此处；从图12和图13可以看出，压力锅外锅测试后的扣牙变形情况与仿真结果中外锅扣牙的变形情况基本相吻合。综上所述，从而可以验证以上仿真分析结果具有较高的准确性。

4 结语

本文以压力锅的扣合部件为研究对象，应用Hypermesh和Abaqus软件对其水压测试过程进行了扣合强度仿真分析。通过仿真分析可以得到，1.2mm厚的外锅在420 kPa下发生脱扣现象，这与实验水压测试415kPa下发生脱扣现象基本吻合，从而可以验证以上仿真分析结果的准确性。从1.0mm厚的外锅的仿真结果看，在300kPa工况下，发生扣牙脱扣风险不大，这一研究成果从而为压力锅扣合结构的优化提供了依据和借鉴。

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1671-0711（2017）05（下）-0069-04