張凌云，許 健

0 引言

在石油化工、油氣管線等工程中，由于爆炸性氣體或可燃性粉塵的存在，大量的閥門需要由具有隔爆性能的電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動。公司研發(fā)生產(chǎn)的SA系列產(chǎn)品是一種智能隔爆型電動執(zhí)行機構(gòu)，與YBDF系列隔爆型電動閥門用三相異步電機組裝后，構(gòu)成完整的隔爆結(jié)構(gòu)。根據(jù)國家標準GB3836.2《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備，隔爆型電氣設備“d”》的規(guī)定，為驗證隔爆型電氣設備外殼是否能承受內(nèi)部的爆炸力，需要對其進行過壓試驗。過壓試驗包括靜壓試驗和動壓試驗兩種，且兩種試驗等效，任選其一即可。按照國標規(guī)定，使用靜壓試驗的方法進行靜壓試驗[1]：根據(jù)試驗外殼件作為ⅡB類或ⅡC類的要求，對其施加1.5 MPa或2.0 MPa的壓力，并保持10～12 s，以試驗件能夠承受壓力、不出現(xiàn)降低隔爆性能的通孔和裂紋、也不出現(xiàn)滴水現(xiàn)象為合格。

然而設計隔爆設備的外殼時，傳統(tǒng)方法往往通過粗略估算及經(jīng)驗推測，并結(jié)合靜壓試驗結(jié)果，反復修改，反復試驗，最終得到最合理的結(jié)構(gòu)形式與尺寸。這種方法設計周期長，效率低，設計成本高。而使用有限元分析模擬靜壓試驗配合設計，可以有效地減少設計周期和試驗成本。

本文以SA1型號智能隔爆電動執(zhí)行機構(gòu)的主要外殼組件：控制罩蓋和箱體為例，使用ABQA?US有限元分析進行靜壓試驗模擬仿真。

1 前處理

1.1 有限元模型的建立

在Solidworks三維CAD軟件中分別建立控制罩蓋和箱體的三維實體模型[2]，為方便有限元網(wǎng)格的劃分，去掉部分不影響整體形狀結(jié)構(gòu)的倒角和圓角，如圖1所示。

圖1 控制罩蓋和箱體的三維實體模型

利用ABAQUS軟件與Solidworks之間完善的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將三維實體模型從Solidworks中完美地導入到ABAQUS中，得到模型后在ABAQUS中劃分網(wǎng)格。由于模型形狀較為復雜，有較多曲面和相貫面，可采用軟件自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，軟件會根據(jù)模型自由靈活地劃分網(wǎng)格。同時，選用二次四面體單元作為網(wǎng)格單元，ABAQUS中的網(wǎng)格號為C3D10，其特點是適合小位移無接觸問題，且能夠保證一定的精度。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示?？刂普稚w有限元模型共劃分得54 447個節(jié)點，30 774個單元；箱體有限元模型共劃分得131 575個節(jié)點，79 217個單元。

控制罩蓋與箱體的外殼材料均為ZL104，密度為2.7×103kg/m3，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.34。

圖2 控制罩蓋和箱體的有限元模型

1.2 施加約束及荷載

分析靜壓試驗過程中試驗件的實際受力情況可知，試驗件在試驗過程中受到如下幾種荷載：試驗件腔體內(nèi)部受到2 MPa的均布靜水壓力、由水勢能差產(chǎn)生的沿壁表面從下豎直向上三角分布的水壓力和密封隔板受水壓力導致的對螺紋孔的拉力。

根據(jù)受力分析，在模型內(nèi)表面施加2 MPa的均布壓強荷載模擬靜水壓力；由于模型尺寸較小，勢能差水壓力也很小，可以忽略；在螺紋孔上施加等效的剪力模擬密封隔板的拉力。

在被固定在工裝上的表面施加位移約束，限制其在x、y、z三個方向上無位移。

2 后處理

在完成建模、網(wǎng)格劃分、確定約束和荷載以后就可以對模型進行后處理分析。后處理結(jié)果可以反映模型在靜壓試驗下的應力分布與變形情況。

2.1 應力分析

后處理根據(jù)第四強度理論von Mises準則輸出模型應力云圖，控制罩蓋應力云圖如圖3所示，箱體應力云圖如圖4所示。

圖3 控制罩蓋的應力云圖

圖4 箱體的應力云圖

從圖3中可知，控制罩蓋在靜壓試驗下大部分范圍內(nèi)的應力值為0.315～3.88 MPa，在螺紋孔、止口臺階等應力集中處的應力值為231～423 MPa，最大應力點為462 MPa，發(fā)現(xiàn)在螺紋孔內(nèi)部。從圖4可知，箱體在靜壓試驗下大部分范圍內(nèi)的應力值為0.076～0.256 MPa，在小范圍應力集中處的應力值為128～178 MPa，最大應力點為306 MPa，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)腔相貫處。

控制罩蓋與箱體的材料是ZL104，其許用應力為300 MPa左右。因此可以判斷，試驗件在靜壓試驗過程中處于安全范圍內(nèi)。在應力分析時發(fā)現(xiàn)的應力集中點可以在后續(xù)的設計中通過增加圓角倒角等使結(jié)構(gòu)圓滑過度的方式消除。

2.2 變形分析

使用軟件輸出變形量絕對值云圖[4]，控制罩蓋變形云圖如圖5所示，箱體變形云圖如圖6所示。

圖5 控制罩蓋的變形云圖

圖6 箱體的變形云圖

分析圖5控制罩蓋的變形云圖，可以發(fā)現(xiàn)，除了上通孔處4個固定在工裝上螺紋孔周圍附近的變形較小外，整個外殼的變形量為0.006 26～0.146 mm，大致趨勢是越遠離工裝位置，變形越大；發(fā)生較大變形的位置有：下通孔處4個自由的螺紋孔周圍、內(nèi)孔相貫處、止口外沿處，位移量為0.188～0.250 mm；其中最大變形發(fā)生在止口外沿位置，變形量為0.250 mm。

變形罩蓋的靜壓試驗變形分析可以發(fā)現(xiàn)：其止口部分的變形較大，較為危險，可能成為隔爆的危險點，可以考慮通過增加止口壁厚、在凸臺位置增加肋板等方式優(yōu)化設計。

分析圖6箱體的變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，模型大部分范圍內(nèi)的變形小于0.030 7 mm，僅在蝸桿腔與控制腔相貫位置和凸臺位置，變形有變大的現(xiàn)象，增大到0.071 7 mm左右。最大變形出現(xiàn)在凸臺右上角螺紋孔附近，變形量為0.123 mm。

分析箱體的變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，在靜壓試驗過程中，箱體整體變形較為安全，僅在腔體相貫部分和凸臺螺紋孔部分有較大變形，可以考慮適當加強[3]。

3 現(xiàn)場試驗

公司靜壓試驗實驗室，將試驗件與工裝、密封隔板等可靠連接后，使用靜壓試驗臺壓力泵[6]，對試驗件進行靜壓試驗加載，如圖7所示。

圖7 靜壓試驗現(xiàn)場

按照試驗規(guī)程加載既定水壓，壓力穩(wěn)定后保壓10～12 s，觀察試驗件是否合格。圖8所示為靜壓試驗過程中試驗件出現(xiàn)的一些破壞不合格現(xiàn)象[7]。

圖8（a）所示是在位于凸臺圓角處出現(xiàn)的裂紋，按照有限元分析，此處的應力與變形往往較大，在試驗過程中確實有可能出現(xiàn)破壞；圖8（b）8（c）所示為殼體壁上出現(xiàn)的裂紋和通孔，破壞原因可能來自鑄造缺陷[5]。

4 結(jié)論

按照國家標準GB3836要求，使用有限元方法，對隔爆性電動執(zhí)行機構(gòu)外殼部件進行靜壓試驗仿真模擬，可以快速得到仿真計算結(jié)果。通過應力、變形分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱點，在后續(xù)設計中進行優(yōu)化，得出最合理的隔爆結(jié)構(gòu)尺寸。相比傳統(tǒng)的設計方法，減少了因反復進行靜壓試驗而造成的成本增加和設計周期延長，為企業(yè)有效地減少設計成本。

圖8 靜壓試驗不合格產(chǎn)品

參考文獻：

［1］宋榮敏，張顯力.IEC 60079-1《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第1部分：隔爆型外殼”d”》2001第4版介紹（續(xù)）［J］.電氣防爆，2004（3）：30-35.

［2］柯吟霙.復雜箱體消失模鑄造模具結(jié)構(gòu)分析和受力分析［D］.武漢：華中科技大學，2012.

［3］孫占春，唐守生.傳動箱箱體油道受力分析與結(jié)構(gòu)改進［J］.工程機械，2008，39（12）：1-4.

［4］楊懷海，閆丹，杜鵬.隔爆型電機外殼強度的計算［J］.防爆電機，2014，49（3）：27-29.

［5］張淑朋.隔爆外殼水壓試驗工藝探討［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2016（15）：47-47.

［6］王元.隔爆型產(chǎn)品外殼水壓試驗及其試驗裝置［J］.電氣防爆，2017（02）：28-30.

［7］魏家盛，郜志倫，謝曉川.淺談隔爆型和外殼防護型的差異［J］.電氣防爆，2015（4）：15-17.