姚貴英，高靜敏，杜小勇，鄭箐華

(1.河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北邯鄲056038;2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津300130)

氣瓶水壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)氣瓶性能最直接和最有效的手段[1]。伴隨氣瓶水壓試驗(yàn)方法的產(chǎn)生，氣瓶水壓試驗(yàn)裝置也應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)外以美國(guó)為代表的氣瓶生產(chǎn)國(guó)和使用國(guó)，其對(duì)外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置的研究由最初從硬件上對(duì)封頭密封性的改進(jìn)，到后來(lái)從軟件上對(duì)外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，并逐步的由半自動(dòng)化控制發(fā)展到自動(dòng)化控制[2]。國(guó)內(nèi)外測(cè)法水壓試驗(yàn)相對(duì)起步較晚，氣瓶水壓試驗(yàn)裝置的硬件配置和測(cè)控軟件配置遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。目前國(guó)內(nèi)主要是對(duì)該轉(zhuǎn)裝置的測(cè)控軟件配置進(jìn)行研究來(lái)提高外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置的質(zhì)量[3－5]，尚未發(fā)現(xiàn)從硬件上對(duì)該裝置的各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)與研究。本文運(yùn)用Pro/E和 Ansys[6－7]設(shè)計(jì)軟件對(duì) QS －1 型高壓無(wú)縫氣瓶水壓測(cè)試機(jī)的提升吊耳進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高國(guó)內(nèi)外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置的硬件配置。

1 提升吊耳靜力分析

1.1 模型建立

水壓試驗(yàn)裝置主要由制動(dòng)架、架體、滾動(dòng)裝置、提升吊耳、密封蓋、受試瓶和液壓缸組成。其中，提升吊耳是外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件。

實(shí)驗(yàn)裝置完成對(duì)氣瓶檢測(cè)后，受試氣瓶被提升吊耳向上拉起，此時(shí)提升吊耳的受力最大。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)此時(shí)提升吊耳進(jìn)行受力分析，進(jìn)而在Pro/E中建立外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置提升吊耳模型(圖1)。其中立板厚為20 mm，左立筋板厚為25 mm，右立筋板厚為25 mm，提升板厚為25 mm，吊耳厚為20 mm。將Pro/E中建立的提升吊耳實(shí)體模型導(dǎo)入Ansys軟件workbench模塊中，轉(zhuǎn)化成有限元分析模型。

1.2 加載

步驟1:材料設(shè)置。取其材料為Q 235，模量E=200 GPa，泊松比 γ =0.3。

步驟2:網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分選用自動(dòng)劃分方式，單元格大小設(shè)置為20 mm×20 mm。

步驟3:施加約束。根據(jù)提升吊耳的實(shí)際工作狀況可知，提升吊耳通過(guò)滾輪將立板固定在架體上，實(shí)現(xiàn)提升吊耳沿架體軌道上下運(yùn)動(dòng)。為便于有限元分析，將約束簡(jiǎn)化為固定約束施加在立板一側(cè)。

步驟4:施加載荷。提升吊耳在最大受力狀態(tài)下的主要載荷為密封蓋重量、受試氣瓶重量、受試氣瓶中水的重量。將載荷以矢量集中力形式加載到3個(gè)耳板的內(nèi)軸孔處，方向豎直向下。計(jì)算過(guò)程中忽略滾輪與滑道之間的摩擦力和氣瓶的輕微擺動(dòng)。

1.3 靜力分析

根據(jù)機(jī)械零件設(shè)計(jì)要求，零部件都必須具有一定的強(qiáng)度和剛度，以防止設(shè)計(jì)產(chǎn)品在正常工作條件下發(fā)生斷裂或嚴(yán)重塑性變形[8]。

本次設(shè)計(jì)提升吊耳材料選用Q235碳鋼，其最大許用應(yīng)力為

式中:下標(biāo)S－塑性材料;δs－屈服極限(δs=235 MPa);ns－安全系數(shù)(ns=1.5 ～2，為使得提升吊耳安全性最高，本設(shè)計(jì)中取ns=2)。

經(jīng)Anasys workbench計(jì)算得到的應(yīng)力分析云圖(圖2)，可知提升板最外端應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為66.3 MPa。而由式(1)計(jì)算得材料最大許用應(yīng)力為117.5 MPa，易知提升板最外端最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于提升吊耳的最大許用應(yīng)力，故需對(duì)該吊耳進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

經(jīng)Anasys workbench計(jì)算得的總體變形量分析云圖(圖3)，可知提升板最外端總體變形最大，最大變形量為0.9 mm。而氣瓶檢測(cè)過(guò)程中提升吊耳總體變形量不得超過(guò)1.5 mm，易知最大變形量在提升吊耳實(shí)際工作所允許的變形量取值范圍之內(nèi)，同樣表明需對(duì)該吊耳進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

2 模型拓?fù)鋬?yōu)化

采用均勻化方法[9]對(duì)提升吊耳進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。將提升吊耳在Ansys workbench軟件中，以去除30%的材料為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到拓?fù)鋬?yōu)化分析云圖(圖4，其中深色區(qū)域?yàn)槿コ牧系牟糠郑瑴\色區(qū)域?yàn)楸Ａ舨牧系牟糠?。為保證精簡(jiǎn)后的提升吊耳工作可靠性高，設(shè)計(jì)更合理，可對(duì)精簡(jiǎn)后的模型做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 精簡(jiǎn)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 靜力分析

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在Ansys workbench軟件中建立精簡(jiǎn)后提升吊耳的參數(shù)化建模(圖5)。初定精簡(jiǎn)模型中立板厚12 mm、左立筋板厚15 mm、右立筋板厚15 mm、提升板厚20 mm和吊耳厚15 mm。

經(jīng)Ansys workbench軟件分析，得到提升吊耳的提升板最外端有較大應(yīng)力集中且總體變形量最大，最大應(yīng)力為92.7 MPa;最大變形量為1.2 mm。可知精簡(jiǎn)模型在安全工作需要范圍內(nèi)，故初定的精簡(jiǎn)模型厚度滿足要求。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)目的是對(duì)精簡(jiǎn)提升吊耳板厚進(jìn)行優(yōu)化，因此將精簡(jiǎn)模型初定的中立板厚、左立筋板厚、右立筋板厚和提升板厚設(shè)為輸入?yún)?shù)。在外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置對(duì)受試氣瓶進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，提升吊耳的變形量直接影響到密封蓋的密封效果，故將精簡(jiǎn)模型總體變形量最大值設(shè)為輸出參數(shù)。經(jīng)Ansys workbench計(jì)算產(chǎn)生A、B、C三組候選的優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)，見(jiàn)表1。在比較A、B、C參數(shù)后，其中A組總體變形量最小，故設(shè)A組為作為正式設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 三組優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)Tab.1 Table of three optimizing design point

經(jīng)有限元計(jì)算后可得出最優(yōu)提升吊耳尺寸組，經(jīng)圓整后為提升板厚22 mm，右側(cè)立筋板厚16 mm，左立筋板厚14 mm，可得提升吊耳總體變形量為0.87 mm。提升吊耳拓?fù)鋬?yōu)化后的總體變形量為1.2 mm，經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)后其最大變形量為0.87 mm，易知優(yōu)化設(shè)計(jì)總體變形量比拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)總體變形量減少了30%。

4 結(jié)論

運(yùn)用Ansys軟件對(duì)外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置提升吊耳進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證提升吊耳安全可靠地工作前提下，經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后其質(zhì)量減輕30%，得到提升吊耳的精簡(jiǎn)模型。在Ansys workbench軟件中對(duì)該精簡(jiǎn)模型進(jìn)行參數(shù)化建模，并進(jìn)一步對(duì)該精簡(jiǎn)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其變形量減少30%。此外，本設(shè)計(jì)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)對(duì)氣瓶外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置具體零部件的設(shè)計(jì)與研究的空白。

[1]GB/T 9251－1997，氣瓶水壓試驗(yàn)方法[S].

[2]錢(qián)獻(xiàn)德，王淑蘭，由宏新.氣瓶水壓試驗(yàn)裝置發(fā)展?fàn)顩r[J].化工裝備技術(shù)，2000，21(4):33－35.

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[6]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

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[9]閻龍海，金冬梅.正交實(shí)驗(yàn)法薄壁壓桿截面穩(wěn)定性的優(yōu)化[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22(1):6－9.