真空箱强度的分析与优化

2013-06-22  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

来源:CAD/CAM与制造业信息化
关键字:真空箱 压力 有限元方法

真空箱在工作时,由于要承受较大的压力,需要合理设计其壁厚.本文在分析原有的真空箱机械强度的基础上,使用有限元方法对真空箱进行优化设计,降低了产品的质量,并获得了最小壁厚尺寸,在实际应用中达到了满意的效果.

近年来真空冷却与气调保鲜技术的有机结合,被誉为21世纪保鲜新技术。其主要内容是由农产品的采摘、真空冷却、气调处理、贮藏和运输等多个环节形成的“冷链”组成。该技术对收获后的新鲜农产品(蔬菜、果品、花卉)的保鲜延长储存期有着明显效果,可扩大农产品异地调配范围,实现不同季节均衡上市,促进出口创汇,具有明显的社会经济效益。该保鲜技术中的一个重要部件是真空箱。它体积庞大,为了抵抗抽真空所导致的压力,一般采用不锈钢制成,这样真空箱在制造和运输过程中花费较大。为了在满足工作要求的前提下进一步降低产品材料消耗及成本,本文在对原有真空箱强度分析的基础上,利用有限元方法对真空箱进行了优化设计。


    一、真空箱的结构和工作条件

图1所示是一真空箱,其外形为一长方体,外形尺寸为8900×2836×2648mm,由12mm厚的1Cr18Ni9钢板作基板和8mm厚的1Cr18Ni9钢板加强板焊接而成。在工作过程中,真空箱通过四个支脚固定,其内部处于真空状态。

真空箱强度的分析与优化ansys workbanch图片1

    二、建立有限元模型

    1.模型简化及相关参数

    由于真空箱使用前,在大约1个小时内由常压抽为真空,因此可以认为真空箱是处于静载作用下的,外压 Pa。

    工作中真空箱四个脚固定,这样其约束采用在四个节点约束6个自由度。

    根据压力容器的相关规范,取安全系数n=2.0,则许用抗拉强度为:

真空箱强度的分析与优化ansys workbanch图片2

真空箱强度的分析与优化ansys结果图图片3

    2.网格划分及有限元分析

真空箱的焊缝强度是一个非常复杂的问题,在本文中暂不研究。在有限元模型中把焊接作为一体处理。

本例采用quad4网格形式自动划分网格。考虑建立壳(shell)单元时厚度的不同,以及加载方便,分别以前后基板、左右基板、上下基板和加强板建立四个分组。

为使划分的网格匹配,保证基板和加强板之间的载荷传递,采用小块表面(surface)建立几何模型,本例共建立1722个表面。

加上边界条件和材料后,使用Nastran2004对其进行分析,结果如图2所示。

从图中可以得到:工作应力σmax=308 MPa,

    所以,当强度剩余系数g2时,即可以满足使用要求。

真空箱强度的分析与优化ansys结果图图片4

图2 原有真空箱有限元分析

三、优化设计

以基板和加强板的厚度作为设计变量,根据前面的分析和设计经验,基板的厚度值范围应限定为5~13mm,加强板的厚度值范围应限定为3~9mm。设计的目标是达到重量最轻,设计约束为VON Mises应力值在-450~450MPa。

本例在分析中设定的循环次数为10,而在实际计算中只循环了4次就逼近了设计目标。优化结果分别如图3、图4和图5所示。

查看*.f06文件,优化的详细结果如下:

设计变量的值为:左右基板厚度为5.0013mm,前后基板厚度为5.0mm,上下基板厚度为5.0004mm、加强板厚度为7.8316mm。

经过优化设计后,真空箱重量由13120Kg减小为7897Kg。

真空箱强度的分析与优化ansys结果图图片5

图3 设计变量值变化情况

真空箱强度的分析与优化ansys结果图图片6

图4 约束变量最大值变化情况

真空箱强度的分析与优化ansys结果图图片7

图5 目标函数变化情况


    四、小结

本文首先对原有的真空箱进行了强度分析,确定了其强度有较大裕度。然后在上述分析的基础上,使用有限元方法以重量为优化目标对真空箱进行了优化设计,并获得了最小壁厚。从优化设计后的结果来看,真空箱的重量由13120Kg降低到7897Kg,重量减少了40%,效果比较明显。


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