隔爆型电动执行机构外壳静压试验分析与仿真

2018-04-25张凌云

机电工程技术 2018年1期

张凌云，许健

0 引言

在石油化工、油气管线等工程中，由于爆炸性气体或可燃性粉尘的存在，大量的阀门需要由具有隔爆性能的电动执行机构驱动。公司研发生产的SA系列产品是一种智能隔爆型电动执行机构，与YBDF系列隔爆型电动阀门用三相异步电机组装后，构成完整的隔爆结构。根据国家标准GB3836.2《爆炸性环境用防爆电气设备，隔爆型电气设备“d”》的规定，为验证隔爆型电气设备外壳是否能承受内部的爆炸力，需要对其进行过压试验。过压试验包括静压试验和动压试验两种，且两种试验等效，任选其一即可。按照国标规定，使用静压试验的方法进行静压试验[1]：根据试验外壳件作为ⅡB类或ⅡC类的要求，对其施加1.5 MPa或2.0 MPa的压力，并保持10～12 s，以试验件能够承受压力、不出现降低隔爆性能的通孔和裂纹、也不出现滴水现象为合格。

然而设计隔爆设备的外壳时，传统方法往往通过粗略估算及经验推测，并结合静压试验结果，反复修改，反复试验，最终得到最合理的结构形式与尺寸。这种方法设计周期长，效率低，设计成本高。而使用有限元分析模拟静压试验配合设计，可以有效地减少设计周期和试验成本。

本文以SA1型号智能隔爆电动执行机构的主要外壳组件：控制罩盖和箱体为例，使用ABQA⁃US有限元分析进行静压试验模拟仿真。

1 前处理

1.1 有限元模型的建立

在Solidworks三维CAD软件中分别建立控制罩盖和箱体的三维实体模型[2]，为方便有限元网格的划分，去掉部分不影响整体形状结构的倒角和圆角，如图1所示。

图1 控制罩盖和箱体的三维实体模型

利用ABAQUS软件与Solidworks之间完善的数据结构，将三维实体模型从Solidworks中完美地导入到ABAQUS中，得到模型后在ABAQUS中划分网格。由于模型形状较为复杂，有较多曲面和相贯面，可采用软件自由网格划分技术，软件会根据模型自由灵活地划分网格。同时，选用二次四面体单元作为网格单元，ABAQUS中的网格号为C3D10，其特点是适合小位移无接触问题，且能够保证一定的精度。划分网格后的有限元模型如图2所示。控制罩盖有限元模型共划分得54 447个节点，30 774个单元；箱体有限元模型共划分得131 575个节点，79 217个单元。

控制罩盖与箱体的外壳材料均为ZL104，密度为2.7×103kg/m3，弹性模量为69 GPa，泊松比为0.34。

图2 控制罩盖和箱体的有限元模型

1.2 施加约束及荷载

分析静压试验过程中试验件的实际受力情况可知，试验件在试验过程中受到如下几种荷载：试验件腔体内部受到2 MPa的均布静水压力、由水势能差产生的沿壁表面从下竖直向上三角分布的水压力和密封隔板受水压力导致的对螺纹孔的拉力。

根据受力分析，在模型内表面施加2 MPa的均布压强荷载模拟静水压力；由于模型尺寸较小，势能差水压力也很小，可以忽略；在螺纹孔上施加等效的剪力模拟密封隔板的拉力。

在被固定在工装上的表面施加位移约束，限制其在x、y、z三个方向上无位移。

2 后处理

在完成建模、网格划分、确定约束和荷载以后就可以对模型进行后处理分析。后处理结果可以反映模型在静压试验下的应力分布与变形情况。

2.1 应力分析

后处理根据第四强度理论von Mises准则输出模型应力云图，控制罩盖应力云图如图3所示，箱体应力云图如图4所示。

图3 控制罩盖的应力云图

图4 箱体的应力云图

从图3中可知，控制罩盖在静压试验下大部分范围内的应力值为0.315～3.88 MPa，在螺纹孔、止口台阶等应力集中处的应力值为231～423 MPa，最大应力点为462 MPa，发现在螺纹孔内部。从图4可知，箱体在静压试验下大部分范围内的应力值为0.076～0.256 MPa，在小范围应力集中处的应力值为128～178 MPa，最大应力点为306 MPa，发现在内腔相贯处。

控制罩盖与箱体的材料是ZL104，其许用应力为300 MPa左右。因此可以判断，试验件在静压试验过程中处于安全范围内。在应力分析时发现的应力集中点可以在后续的设计中通过增加圆角倒角等使结构圆滑过度的方式消除。

2.2 变形分析

使用软件输出变形量绝对值云图[4]，控制罩盖变形云图如图5所示，箱体变形云图如图6所示。

图5 控制罩盖的变形云图

图6 箱体的变形云图

分析图5控制罩盖的变形云图，可以发现，除了上通孔处4个固定在工装上螺纹孔周围附近的变形较小外，整个外壳的变形量为0.006 26～0.146 mm，大致趋势是越远离工装位置，变形越大；发生较大变形的位置有：下通孔处4个自由的螺纹孔周围、内孔相贯处、止口外沿处，位移量为0.188～0.250 mm；其中最大变形发生在止口外沿位置，变形量为0.250 mm。

变形罩盖的静压试验变形分析可以发现：其止口部分的变形较大，较为危险，可能成为隔爆的危险点，可以考虑通过增加止口壁厚、在凸台位置增加肋板等方式优化设计。

分析图6箱体的变形云图可以发现，模型大部分范围内的变形小于0.030 7 mm，仅在蜗杆腔与控制腔相贯位置和凸台位置，变形有变大的现象，增大到0.071 7 mm左右。最大变形出现在凸台右上角螺纹孔附近，变形量为0.123 mm。

分析箱体的变形云图可以发现，在静压试验过程中，箱体整体变形较为安全，仅在腔体相贯部分和凸台螺纹孔部分有较大变形，可以考虑适当加强[3]。

3 现场试验

公司静压试验实验室，将试验件与工装、密封隔板等可靠连接后，使用静压试验台压力泵[6]，对试验件进行静压试验加载，如图7所示。

图7 静压试验现场

按照试验规程加载既定水压，压力稳定后保压10～12 s，观察试验件是否合格。图8所示为静压试验过程中试验件出现的一些破坏不合格现象[7]。

图8（a）所示是在位于凸台圆角处出现的裂纹，按照有限元分析，此处的应力与变形往往较大，在试验过程中确实有可能出现破坏；图8（b）8（c）所示为壳体壁上出现的裂纹和通孔，破坏原因可能来自铸造缺陷[5]。

4 结论

按照国家标准GB3836要求，使用有限元方法，对隔爆性电动执行机构外壳部件进行静压试验仿真模拟，可以快速得到仿真计算结果。通过应力、变形分析，找出结构的薄弱点，在后续设计中进行优化，得出最合理的隔爆结构尺寸。相比传统的设计方法，减少了因反复进行静压试验而造成的成本增加和设计周期延长，为企业有效地减少设计成本。