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        電熱內(nèi)膽仿真分析

        2021-07-03 03:13:46王羽曹冠忠王德君田海燕荊彥濤張洪烈
        關(guān)鍵詞:內(nèi)膽電熱校核

        王羽 曹冠忠 王德君 田海燕 荊彥濤 張洪烈

        (1.青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司,山東青島 266101;2.數(shù)字化家電國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266100)

        在工業(yè)設(shè)計(jì)越來越數(shù)字化的今天,運(yùn)用新技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)便成為了一種趨勢。仿真技術(shù)可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期對產(chǎn)品存在的缺陷進(jìn)行高精度的預(yù)估,相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì),減少了實(shí)驗(yàn)流程,能夠縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,降低開發(fā)成本。該技術(shù)逐漸成為工程師進(jìn)行前期設(shè)計(jì)的一種手段,也被廣大企業(yè)所接受和認(rèn)可。

        在電熱水器中,內(nèi)膽漏水問題一直是行業(yè)棘手的問題。對其漏水原因進(jìn)行分析,焊縫區(qū)域的相當(dāng)一部分漏水情況是長期使用所引起的疲勞破壞,內(nèi)膽上漏水大多是內(nèi)部瓷層破壞進(jìn)而水腐蝕導(dǎo)致的,也有個別是由于強(qiáng)度問題引起的。如何在保證焊接質(zhì)量和工藝的前提下,在設(shè)計(jì)前期對內(nèi)膽強(qiáng)度進(jìn)行全面評估就成為解決問題的關(guān)鍵。目前來說,電熱內(nèi)膽的有限元分析方法及校核標(biāo)準(zhǔn)還未形成行業(yè)規(guī)范,王羽等人[1]針對母材部分進(jìn)行了強(qiáng)度分析的探索。本文將全面闡述運(yùn)用有限元手段進(jìn)行電熱內(nèi)膽分析,使其在前期設(shè)計(jì)階段規(guī)避掉由于強(qiáng)度引起的質(zhì)量問題。

        1 電熱內(nèi)膽受力特征

        電熱內(nèi)膽的設(shè)計(jì)使用壽命一般是八年,這就意味著其承受的是長期的交變載荷,在這種情況下它的破壞就是疲勞應(yīng)力引起的強(qiáng)度破壞。內(nèi)膽在均布內(nèi)壓作用下,其環(huán)向和軸向的“纖維”受到拉伸,存在環(huán)向應(yīng)力σ0、軸向應(yīng)力σm和徑向應(yīng)力σr。電熱內(nèi)膽一般屬于薄壁內(nèi)膽,對于薄壁內(nèi)膽來說,其徑向應(yīng)力遠(yuǎn)小于其它兩個方向的應(yīng)力值。

        對于圓筒型殼體,筒體上的環(huán)向應(yīng)力σ0為:

        軸向應(yīng)力σm為:

        其中,p為內(nèi)壓,D為內(nèi)膽內(nèi)徑,t為內(nèi)膽壁厚。

        本文以深拉伸內(nèi)膽為例進(jìn)行闡述,這種內(nèi)膽,是兩塊板料分別深拉伸成型后,對接焊而成,其焊縫僅有一道,位于內(nèi)膽中筒的中間位置,為環(huán)向焊縫,在內(nèi)壓下它的受力就是如圖1所示的軸向應(yīng)力。

        圖1 內(nèi)膽受力圖

        2 電熱內(nèi)膽的疲勞實(shí)驗(yàn)

        根據(jù)電熱內(nèi)膽的受力特征,分別從內(nèi)膽上取相應(yīng)的母材區(qū)和焊縫區(qū)的材料,按照GB/T 3075-2008《金屬材料 疲勞實(shí)驗(yàn)軸向力控制方法》[2]和HB/Z 112-1986《材料疲勞實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析》[3]的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)在MTS-100KN 的疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,內(nèi)膽材料疲勞實(shí)驗(yàn)圖如圖2 所示。

        圖2 內(nèi)膽材料疲勞實(shí)驗(yàn)圖

        對樣本的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,母材和焊縫區(qū)材料擬合的S-N 曲線如圖3、圖4 所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,母材和焊縫區(qū)材料的應(yīng)力均隨著加載次數(shù)的增加而降低,母材區(qū)下降趨勢相對較緩慢,而焊縫區(qū)下降趨勢明顯。內(nèi)膽的設(shè)計(jì)使用壽命一般是八年,根據(jù)其使用頻率,企業(yè)規(guī)范里對應(yīng)的總使用次數(shù)為16 萬次。本文分別從擬合的數(shù)據(jù)中提取16 萬次循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的應(yīng)力,作為校核母材區(qū)和焊縫區(qū)材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。

        圖3 母材疲勞S-N 曲線

        圖4 焊縫疲勞S-N 曲線

        3 電熱內(nèi)膽的有限元分析

        本文以一電熱內(nèi)膽為例,進(jìn)行了正常承載下的有限元分析,其焊縫區(qū)域按照全熔透的焊接方式建模,其典型部位的有限元分析結(jié)果如下,電熱內(nèi)膽有限元模型如圖5 所示,封頭過渡區(qū)應(yīng)力云圖如圖6 所示,中筒部位軸向應(yīng)力云圖如圖7 所示。

        圖5 電熱內(nèi)膽有限元模型

        圖6 封頭過渡區(qū)應(yīng)力云圖

        有限元結(jié)果顯示,整膽的應(yīng)力最大處位于上封頭過渡區(qū),應(yīng)力大小為100.2 Mpa,焊縫區(qū)應(yīng)力為45.3 Mpa,根據(jù)提取的16 萬次循環(huán)次數(shù)的疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù),整膽的校核結(jié)果如表1所示。

        圖7 中筒部位軸向應(yīng)力云圖

        表1 電熱內(nèi)膽強(qiáng)度校核

        按照上述流程,本文以行業(yè)內(nèi)部分電熱水器內(nèi)膽為樣本,進(jìn)行了仿真和實(shí)際情況的對標(biāo),結(jié)果顯示仿真標(biāo)準(zhǔn)滿足實(shí)際內(nèi)膽在使用壽命內(nèi)對強(qiáng)度的要求。

        4 結(jié)論

        在用戶使用過程中,電熱內(nèi)膽的漏水問題成為了行業(yè)內(nèi)一個亟待解決的問題。用仿真手段介入產(chǎn)品設(shè)計(jì),能夠提前預(yù)測問題點(diǎn)的存在,但電熱內(nèi)膽的有限元分析方法及校核標(biāo)準(zhǔn)目前還未形成行業(yè)規(guī)范。本文針對這一問題,研究內(nèi)膽的受力特征,分別對內(nèi)膽的母材和焊縫區(qū)材料進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn),按照內(nèi)膽設(shè)計(jì)使用壽命,提取出了對應(yīng)使用壽命應(yīng)該滿足的應(yīng)力值。最后,用實(shí)例進(jìn)行了仿真分析的闡述,并運(yùn)用了大量的樣本進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)的對標(biāo),結(jié)果顯示這一分析手段滿足內(nèi)膽使用壽命對強(qiáng)度值的要求。

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