DN80型燃气电磁阀可靠性分析及结构优化设计

张克军，刘建飞，张 双

(.辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009)

燃气电磁阀作为燃气系统的重要零部件，其综合性能的评价和分析是重要的关键步骤，在设计和制造之前对其进行分析，找到薄弱环节进行优化设计，并得到最优的设计变量数值，对燃气电磁阀的安全性能具有重要的作用。陈雪勇对燃气电磁阀的芯轴进行了仿真分析，并提出了改进策略[1-2]；王小江通过对ESD阀的工作机构可靠性进行分析，并提出了提高ESD阀可靠性的措施[3]；刘文提出了一种耦合仿真建模方法，在动态载荷的基础上对燃气供给系统进行了仿真分析[4]。基于文献现有进展可知，基于机械优化设计理论的燃气电磁阀分析极少，多以经验计算为主，本文以燃气电磁阀作为研究对象，建立电磁阀有限元模型，对其进行可靠性评价，并进行优化设计，得到了最优的电磁阀模型参数。

1 可靠性理论

可靠性分析是机械零部件设计中重要的步骤，进行可靠性分析可以更加精确的评价机械零部件的状态，在设计阶段对其进行可靠性评价，若可靠度较低，可以在制造物理样机之前，在软件环境下进行优化设计，得到最优的模型结构，可以节省研发成本，缩短设计周期。典型的应力分布h(s)和强度分布f(S)构成的应力-强度干涉关系示意图如图1所示。

可以得到强度大于应力的概率的可靠度计算公式为：

(1)

一般认为应力和强度服从正态分布规律，可靠度计算公式可转化为：

(2)

2 燃气电磁阀三维建模及有限元分析

Ansys workbench虽然具备三维建模的模块，但是其操作复杂，且在曲线绘制和曲面建模的功能上功效效率较低，所以本文采用UG进行建模，通过格式导入的方式导入到Ansys workbench中，这样可以发挥各个软件的优势，提高工作效率。通过Ansys workbench的geometry几何模块和static structural静力分析模块进行导入模型和有限元分析，得到可视化的燃气电磁阀有限元分析结果。

2.1 燃气电磁阀有限元网格划分

有限元网格划分是有限元分析的基础，建立合适的有限元网格模型一方面可以得到高质量的网格单元，另一方面可以节省计算机资源，提高分析效率。本文在综合考虑各种因素的基础之上，选取网格大小(Element Size)为5 mm，选取自适应网格，得到燃气电磁阀有限元网格模型如图2所示，其中包括96 403个单元(Elements)和166 207个节点(Nodes)。

2.2 电磁阀有限元分析结果

有限分析中，约束和加载对分析结果有着重要的影响，电磁阀通过螺栓组进行固定，多以在此处设置固定约束，在电磁阀的内表面加载大小为0.6 MPa的压力，对其进行求解，获得等效应力和变形云图如图3～图4所示。

由图3～图4的分析云图结果可知，其等效应力最大值为65.797 MPa，位于燃气电磁阀的内腔处；最大的变形量为0.110 92 mm，位于燃气电磁阀的外阀体处。通过公式(1)～(2)得到燃气电磁阀的可靠度为0.942。发现其等效应力位置和变形最大位置出现应力集中现象，需要对该关键位置进行结构优化，提高其可靠度[5-6]。

3 燃气电磁阀结构优化

3.1 电磁阀设计变量的选取

基于电磁阀有限元分析结果，可以得到电磁阀的薄弱位置，共有2处，分别为等效应力集中处和变形较大处，如图5所示。影响该处可靠度的主要因素为尺寸参数[7]，所以定义设计变量为倒圆角R1和倒圆角R2。

3.2 基于Matlab的电磁阀优化设计

在进行优化设计时，需要对不同的设计变量值进行仿真分析，可以得到不同设计变量对应的等效应力集中处和变形量，建立不同的倒圆角R1和倒圆角R2数值，综合选取Polynomial(多项式算法)，该算法能更好的精确计算此次优化设计的结果，得到不同倒圆角R1对应的等效应力和变形量如图6所示，不同倒圆角R2对应的等效应力和变形量如图7所示。

由图6～图7可知，在倒圆角R1为数值4.0 mm时，倒圆角R2为数值4.8 mm时，等效应力和变形量为最低，综合考虑设计和制造因素，进行圆整，选取倒圆角R1为4.0 mm，倒圆角R2为5.0 mm为设计变量最优值。重新建立电磁阀的有限元模型，对其进行分析和加载，可得到优化后电磁阀等效应力云图和变形云图如图8～图9所示。

由图8～图9可知，优化后电磁阀等效应力最大值由65.797 MPa降低到为13.575 MPa，最大的变形量为由0.110 92 mm降低到为0.004 332 6 mm，可靠度由0.942提高到0.995，优化后的电磁阀整体性能得到提高。

4 结论

本文建立了DN80燃气电磁阀的有限元模型，对其进行划分网格、添加约束和加载等操作，得到了其等效应力和变形云图，基于有限元分析结果，对其进行结构优化，得到的结论如下：

1)利用ansys workbench对燃气电磁阀进行有限元分析，发现其等效应力和变形最大位置分别为65.797 MPa和0.110 92 mm，可靠度为0.942需要对该应力集中位置进行结构优化，提高其可靠度。

2)基于有限元分析结果和可靠度计算结果，对燃气电磁阀的应力集中位置进行结构优化，分别添加倒圆角R1和倒圆角R2，再次对其进行有限元分析发现，等效应力由65.797 MPa降低为13.575 MPa，最大的变形量为由0.110 92 mm降低为0.004 332 6 mm，可靠度由0.942提高到0.995，优化后的电磁阀整体性能得到提高。