真空箱強(qiáng)度的分析與優(yōu)化

2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

來源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化
關(guān)鍵字:真空箱壓力有限元方法

真空箱在工作時,由于要承受較大的壓力,需要合理設(shè)計(jì)其壁厚.本文在分析原有的真空箱機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,使用有限元方法對真空箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),降低了產(chǎn)品的質(zhì)量,并獲得了最小壁厚尺寸,在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了滿意的效果.

近年來真空冷卻與氣調(diào)保鮮技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,被譽(yù)為21世紀(jì)保鮮新技術(shù)。其主要內(nèi)容是由農(nóng)產(chǎn)品的采摘、真空冷卻、氣調(diào)處理、貯藏和運(yùn)輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)形成的“冷鏈”組成。該技術(shù)對收獲后的新鮮農(nóng)產(chǎn)品(蔬菜、果品、花卉)的保鮮延長儲存期有著明顯效果,可擴(kuò)大農(nóng)產(chǎn)品異地調(diào)配范圍,實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)均衡上市,促進(jìn)出口創(chuàng)匯,具有明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。該保鮮技術(shù)中的一個重要部件是真空箱。它體積龐大,為了抵抗抽真空所導(dǎo)致的壓力,一般采用不銹鋼制成,這樣真空箱在制造和運(yùn)輸過程中花費(fèi)較大。為了在滿足工作要求的前提下進(jìn)一步降低產(chǎn)品材料消耗及成本,本文在對原有真空箱強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上,利用有限元方法對真空箱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、真空箱的結(jié)構(gòu)和工作條件

圖1所示是一真空箱,其外形為一長方體,外形尺寸為8900×2836×2648mm,由12mm厚的1Cr18Ni9鋼板作基板和8mm厚的1Cr18Ni9鋼板加強(qiáng)板焊接而成。在工作過程中,真空箱通過四個支腳固定,其內(nèi)部處于真空狀態(tài)。

真空箱強(qiáng)度的分析與優(yōu)化ansys workbanch圖片1

二、建立有限元模型

1.模型簡化及相關(guān)參數(shù)

由于真空箱使用前,在大約1個小時內(nèi)由常壓抽為真空,因此可以認(rèn)為真空箱是處于靜載作用下的,外壓 Pa。

工作中真空箱四個腳固定,這樣其約束采用在四個節(jié)點(diǎn)約束6個自由度。

根據(jù)壓力容器的相關(guān)規(guī)范,取安全系數(shù)n=2.0,則許用抗拉強(qiáng)度為:

真空箱強(qiáng)度的分析與優(yōu)化ansys workbanch圖片2

真空箱強(qiáng)度的分析與優(yōu)化ansys結(jié)果圖圖片3

2.網(wǎng)格劃分及有限元分析

真空箱的焊縫強(qiáng)度是一個非常復(fù)雜的問題,在本文中暫不研究。在有限元模型中把焊接作為一體處理。

本例采用quad4網(wǎng)格形式自動劃分網(wǎng)格。考慮建立殼(shell)單元時厚度的不同,以及加載方便,分別以前后基板、左右基板、上下基板和加強(qiáng)板建立四個分組。

為使劃分的網(wǎng)格匹配,保證基板和加強(qiáng)板之間的載荷傳遞,采用小塊表面(surface)建立幾何模型,本例共建立1722個表面。

加上邊界條件和材料后,使用Nastran2004對其進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以得到:工作應(yīng)力σmax=308 MPa,

所以,當(dāng)強(qiáng)度剩余系數(shù)g2時,即可以滿足使用要求。

真空箱強(qiáng)度的分析與優(yōu)化ansys結(jié)果圖圖片4

圖2 原有真空箱有限元分析

三、優(yōu)化設(shè)計(jì)

以基板和加強(qiáng)板的厚度作為設(shè)計(jì)變量,根據(jù)前面的分析和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),基板的厚度值范圍應(yīng)限定為5~13mm,加強(qiáng)板的厚度值范圍應(yīng)限定為3~9mm。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是達(dá)到重量最輕,設(shè)計(jì)約束為VON Mises應(yīng)力值在-450~450MPa。

本例在分析中設(shè)定的循環(huán)次數(shù)為10,而在實(shí)際計(jì)算中只循環(huán)了4次就逼近了設(shè)計(jì)目標(biāo)。優(yōu)化結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示。

查看*.f06文件,優(yōu)化的詳細(xì)結(jié)果如下:

設(shè)計(jì)變量的值為:左右基板厚度為5.0013mm,前后基板厚度為5.0mm,上下基板厚度為5.0004mm、加強(qiáng)板厚度為7.8316mm。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,真空箱重量由13120Kg減小為7897Kg。

真空箱強(qiáng)度的分析與優(yōu)化ansys結(jié)果圖圖片5

圖3 設(shè)計(jì)變量值變化情況

真空箱強(qiáng)度的分析與優(yōu)化ansys結(jié)果圖圖片6

圖4 約束變量最大值變化情況

真空箱強(qiáng)度的分析與優(yōu)化ansys結(jié)果圖圖片7

圖5 目標(biāo)函數(shù)變化情況

四、小結(jié)

本文首先對原有的真空箱進(jìn)行了強(qiáng)度分析,確定了其強(qiáng)度有較大裕度。然后在上述分析的基礎(chǔ)上,使用有限元方法以重量為優(yōu)化目標(biāo)對真空箱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并獲得了最小壁厚。從優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果來看,真空箱的重量由13120Kg降低到7897Kg,重量減少了40%,效果比較明顯。

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