真空箱強度的分析與優化

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

來源:CAD/CAM與制造業信息化
關鍵字: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,需要合理設計其壁厚.本文在分析原有的真空箱機械強度的基礎上,使用有限元方法對真空箱進行優化設計,降低了產品的質量,并獲得了最小壁厚尺寸,在實際應用中達到了滿意的效果.

近年來真空冷卻與氣調保鮮技術的有機結合,被譽為21世紀保鮮新技術。其主要內容是由農產品的采摘、真空冷卻、氣調處理、貯藏和運輸等多個環節形成的“冷鏈”組成。該技術對收獲后的新鮮農產品(蔬菜、果品、花卉)的保鮮延長儲存期有著明顯效果,可擴大農產品異地調配范圍,實現不同季節均衡上市,促進出口創匯,具有明顯的社會經濟效益。該保鮮技術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致的壓力,一般采用不銹鋼制成,這樣真空箱在制造和運輸過程中花費較大。為了在滿足工作要求的前提下進一步降低產品材料消耗及成本,本文在對原有真空箱強度分析的基礎上,利用有限元方法對真空箱進行了優化設計。

    一、真空箱的結構和工作條件

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鋼板加強板焊接而成。在工作過程中,真空箱通過四個支腳固定,其內部處于真空狀態。

    二、建立有限元模型

    1.模型簡化及相關參數

    由于真空箱使用前,在大約1個小時內由常壓抽為真空,因此可以認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點約束6個自由度。

    根據壓力容器的相關規范,取安全系數n=2.0,則許用抗拉強度為:

    2.網格劃分及有限元分析

真空箱的焊縫強度是一個非常復雜的問題,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網格形式自動劃分網格。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、上下基板和加強板建立四個分組。

為使劃分的網格匹配,保證基板和加強板之間的載荷傳遞,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對其進行分析,結果如圖2所示。

從圖中可以得到:工作應力σmax=308 MPa,

    所以,當強度剩余系數g2時,即可以滿足使用要求。

圖2 原有真空箱有限元分析

三、優化設計

以基板和加強板的厚度作為設計變量,根據前面的分析和設計經驗,基板的厚度值范圍應限定為5~13mm,加強板的厚度值范圍應限定為3~9mm。設計的目標是達到重量最輕,設計約束為VON Mises應力值在-450~450MPa。

本例在分析中設定的循環次數為10,而在實際計算中只循環了4次就逼近了設計目標。優化結果分別如圖3、圖4和圖5所示。

查看*.f06文件,優化的詳細結果如下:

設計變量的值為: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、加強板厚度為7.8316mm。

經過優化設計后,真空箱重量由13120Kg減小為7897Kg。

圖3 設計變量值變化情況

圖4 約束變量最大值變化情況

圖5 目標函數變化情況

    四、小結

本文首先對原有的真空箱進行了強度分析,確定了其強度有較大裕度。然后在上述分析的基礎上,使用有限元方法以重量為優化目標對真空箱進行了優化設計,并獲得了最小壁厚。從優化設計后的結果來看,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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