鄭宏軍，王甫超，吳波，張衛(wèi)強(qiáng)，汪敏明

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

隔爆光電主要應(yīng)用于易燃易爆環(huán)境中進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測。目前隔爆設(shè)備應(yīng)用的材料，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主要為不銹鋼、鑄鐵、鋁合金等材料[1]；針對海上特殊環(huán)境特性，隔爆光電選用的材料需要具備耐腐蝕性、隔爆性、熱傳導(dǎo)性、抗振性等要求，故隔爆光電采用316L 不銹鋼作為外殼材料。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.2-2021《爆炸性環(huán)境 第2 部分：由隔爆外殼“ d”保護(hù)的設(shè)備》的規(guī)定，Ⅱ 類（Ⅱ C）等級的隔爆外殼需要承受1.03 MPa 試驗(yàn)壓力[2]，因此，隔爆光電結(jié)構(gòu)必須具備足夠的強(qiáng)度。目前隔爆光電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，工程師主要通過經(jīng)驗(yàn)法和類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不能準(zhǔn)確的確定隔爆外殼各部分在隔爆試驗(yàn)中的受力情況，為了安全性考慮工程師通常會(huì)加大隔爆光電結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，造成隔爆光電外殼較為笨重，不僅增加成本而且難以滿足輕量化設(shè)計(jì)需求。

本文利用有限元分析法，主要根據(jù)GB 3836.2-2021規(guī)定的試驗(yàn)要求對隔爆光電進(jìn)行仿真分析，通過仿真結(jié)果對隔爆光電進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后對優(yōu)化后隔爆光電進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，使隔爆光電滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.2-2021 要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化。

1 某隔爆光電的組成

該型隔爆光電主要含以下三個(gè)腔體：電源腔（安裝電源設(shè)備）、傳動(dòng)腔（安裝控制器和傳動(dòng)組件）、光電腔（安裝光電模塊），示意圖如圖1 所示。工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法和類比法設(shè)計(jì)的隔爆光電重量為36.3 kg，腔體壁厚均為8 mm。

圖1 某隔爆光電的示意圖

該隔爆光電的主體結(jié)構(gòu)材料為不銹鋼316 L，材料的主要力學(xué)屬性見表1[4]。

表1 某隔爆光電結(jié)構(gòu)材料屬性

2 基于有限元仿真的結(jié)構(gòu)分析

2.1 振動(dòng)指標(biāo)和隔爆要求

振動(dòng)指標(biāo)主要包含振動(dòng)和擺錘沖擊兩項(xiàng)，根據(jù)GJB 150.16A-2009《軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16 部分：振動(dòng)試驗(yàn)》確定振動(dòng)指標(biāo)見表2[3]；根據(jù)GJB 150.18-1986 《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 沖擊試驗(yàn)》確定擺錘沖擊為輕量級沖擊。

表2 振動(dòng)指標(biāo)

隔爆要求為Ⅱ類（Ⅱ C），根據(jù)GB 3836.2-2021《爆炸性環(huán)境 第2 部分：由隔爆外殼“ d”保護(hù)的設(shè)備》確定設(shè)備外殼為Ⅱ類（Ⅱ C）等級，各等級最大爆炸壓力見表3。

表3 I 類、ⅡA、ⅡB 和ⅡC 最大爆炸壓力

由于擺錘沖擊根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，擺錘沖擊加速度和沖擊時(shí)間存在多變性，無法直接擬合出仿真沖擊數(shù)據(jù)，故對擺錘沖擊直接采用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行，本文不進(jìn)行振動(dòng)仿真分析。

2.2 基于ANSYS 的有限元仿真分析

ANSYS 軟件是經(jīng)典的CAE 軟件之一，在國內(nèi)應(yīng)用廣泛；其內(nèi)Ansys Workbench 采用分析流程圖的方式進(jìn)行界面優(yōu)化，與傳統(tǒng)Ansys 經(jīng)典界面相比更加人性化和智能化，使得仿真設(shè)計(jì)可操作性更強(qiáng)。Ansys 軟件不僅能進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，同時(shí)也包含流體力學(xué)和電磁學(xué)仿真應(yīng)用。本文主要應(yīng)用ANSYS 軟件中靜力學(xué)進(jìn)行隔爆仿真計(jì)算，動(dòng)力學(xué)進(jìn)行振動(dòng)仿真計(jì)算；根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，簡而言之就是求設(shè)備的固有特性，包括頻率、振型等。隔爆光電的固有頻率的大小與振動(dòng)頻率范圍，共同決定隔爆光電是否會(huì)在振動(dòng)頻率范圍產(chǎn)生共振。因此，計(jì)算隔爆光電的固有頻率是十分必要的。

根據(jù)振動(dòng)指標(biāo)GJB 150.16A-2009《軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16 部分：振動(dòng)試驗(yàn)》相關(guān)規(guī)定，振動(dòng)的主要頻率在60 Hz 以內(nèi)，故計(jì)算隔爆光電500 Hz 以內(nèi)的固有模態(tài)特性。通過對隔爆光電模型進(jìn)行材料賦值、網(wǎng)格劃分、添加約束后，計(jì)算得到模態(tài)仿真結(jié)果，通過后處理得到隔爆光電500 Hz 以內(nèi)的固有頻率和振型，實(shí)際應(yīng)用中一般考慮設(shè)備的前6 階主要影響模態(tài)，表4 顯示了隔爆光電的前6 階固有頻率、圖2 顯示了隔爆光電的前6 階振型。

圖2 某隔爆光電前6 階模態(tài)振型

表4 某隔爆光電前6 階固有頻率

通過表4 分析可得，隔爆光電的一階固有頻率已大于60 Hz，故在振動(dòng)的環(huán)境指標(biāo)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生共振。

2.2.2 振動(dòng)仿真分析

振動(dòng)指標(biāo)要求，對應(yīng)Ansys 仿真動(dòng)力學(xué)中的諧響應(yīng)振動(dòng)仿真分析。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際安裝情況，在軟件中對隔爆光電底座施加固定約束；根據(jù)光電類設(shè)計(jì)要求施加設(shè)備阻尼系數(shù)為0.025；根據(jù)振動(dòng)指標(biāo)對隔爆光電三方向施加表2 的振動(dòng)載荷，將其中位移載荷轉(zhuǎn)化為加速度載荷，對應(yīng)1 Hz 時(shí)加速度0.04 m/s2。

計(jì)算后對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，提取隔爆光電隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果；其中隔爆光電三方向的最大應(yīng)力云圖如圖3 所示；提取隔爆光電三方向的最大應(yīng)力值并根據(jù)安全系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算得到，各方向的安全系數(shù)如表5所示。

圖3 某隔爆光電最大應(yīng)力云圖

表5 某隔爆光電三方向最大應(yīng)力

通過表5 可知，隔爆光電的安全系數(shù)遠(yuǎn)大于1，設(shè)備針對振動(dòng)設(shè)計(jì)屬于嚴(yán)重過設(shè)計(jì)。

2.2.3 隔爆仿真分析

隔爆指標(biāo)要求，對應(yīng)Ansys 仿真中的靜力學(xué)分析。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際安裝情況，在軟件中對隔爆光電底座施加固定約束；根據(jù)振動(dòng)指標(biāo)對隔爆光電三個(gè)內(nèi)部腔體分別施加1.03 Mp 的均衡負(fù)載，計(jì)算隔爆光電各腔體對內(nèi)爆的抗沖擊能力；對隔爆光電整機(jī)外部施加1.03 Mp 的，計(jì)算隔爆光電整機(jī)對外爆的抗沖擊能力。

計(jì)算后對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，提取隔爆光電靜力學(xué)分析結(jié)果；其中隔爆光電三個(gè)腔體內(nèi)爆時(shí)的最大應(yīng)力云圖如圖4 所示；隔爆光電整機(jī)外爆時(shí)的最大應(yīng)力云圖如圖5 所示。提取隔爆光電最大應(yīng)力仿真分析結(jié)果，并計(jì)算其安全系數(shù)，結(jié)果如表6 所示。

圖4 某隔爆光電內(nèi)爆最大應(yīng)力云圖

圖5 某隔爆光電外爆最大應(yīng)力云圖

圖7 某隔爆光電外爆振動(dòng)最大應(yīng)力值

圖8 某隔爆光電外爆內(nèi)爆最大應(yīng)力云圖

圖9 某隔爆光電外爆外爆最大應(yīng)力云圖

表6 某隔爆光電隔爆最大應(yīng)力

通過表6 可知，隔爆光電的三個(gè)腔體均能滿足隔爆要求且安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于1，整機(jī)外爆也滿足隔爆要求且安全系數(shù)也有較大余量。

2.3 分析結(jié)論

通過仿真分析提取各項(xiàng)指標(biāo)要求下，隔爆光電的最小安全系數(shù)得到表7；由表7 可得，隔爆光電在振動(dòng)要求下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最小安全系數(shù)為150，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于振動(dòng)的指標(biāo)要求；在隔爆要求下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最小安全系數(shù)為4.3，強(qiáng)度余量也較大。

表7 某隔爆光電最小安全系數(shù)

同時(shí)原隔爆光電設(shè)備順利通過輕量級擺錘沖擊試驗(yàn)，滿足擺錘沖擊指標(biāo)。

故原隔爆光電通過經(jīng)驗(yàn)法和類比法進(jìn)行的設(shè)計(jì)，具有較大的強(qiáng)度余量，結(jié)構(gòu)件具有較大的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上述有限元仿真和擺錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知，現(xiàn)有隔爆光電屬于結(jié)構(gòu)過設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真分析云圖可知，隔爆光電的三個(gè)腔體特別是光電腔和電源腔具有較大的設(shè)計(jì)余量，可進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。

故根據(jù)應(yīng)力云圖對各腔體及外部支撐件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過相同有限元仿真分析方法進(jìn)行不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)后，確定將光電腔和電源腔壁厚改為5 mm，傳動(dòng)腔改為6 mm，外部支撐件壁厚改為4 mm 并加2 mm 厚加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)；通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的隔爆光電的最終重量為27.8 k，相較原設(shè)計(jì)36.3 kg，減重了8.5 kg，實(shí)現(xiàn)了較好的輕量化設(shè)計(jì)需求。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最終狀態(tài)隔爆光電的振動(dòng)，隔爆振動(dòng)最大應(yīng)力云圖如圖6~8 所示。提取最大應(yīng)力值，并根據(jù)不同要求計(jì)算隔爆光電的安全系數(shù)得到表8。

表8 某隔爆光電最大應(yīng)力及安全系數(shù)

由表8 數(shù)據(jù)可得，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的隔爆光電振動(dòng)安全系數(shù)為30.7，滿足振動(dòng)指標(biāo)要求且抗振動(dòng)能力較強(qiáng)；隔爆光電隔爆安全系數(shù)均在1.5~2.5 之間，即滿足隔爆要求且達(dá)到充分的輕量化優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

將通過上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的隔爆光電，根據(jù)振動(dòng)、沖擊指標(biāo)要求，隔爆要求，按照GJB 150.16A-2009《軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16 部分：振動(dòng)試驗(yàn)》和GB 3836.2-2021《爆炸性環(huán)境 第2 部分：由隔爆外殼“ d”保護(hù)的設(shè)備》試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；試驗(yàn)后，隔爆光電功能運(yùn)行正常，各腔體和支架無明顯變形，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

故有限元仿真相較傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法和類比法，能夠在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，同時(shí)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對隔爆光電的輕量化設(shè)計(jì)。