基于有限元法的矿用隔爆型圆筒形外壳设计
基于有限元方法的结构设计优化研究

基于有限元方法的结构设计优化研究随着人们对工程建造的要求越来越高,结构设计的优化也变得异常重要。
在过去,结构设计大多基于经验和试错,但受到限制太大,展现优化空间也不足。
而本篇文章将会介绍基于有限元方法的结构设计优化方法,其能在很大程度上提高结构的质量和性能,同时也会探讨该方法的优缺点以及最新进展。
一、有限元方法简介有限元法是一种数值计算方法,它基于分段函数法则,将连续问题抽象为离散问题,使得计算相对容易。
通俗地说,它是将实际问题转化为节点与元素的网格模型,进而对其进行数值计算。
而这种方法不仅能用于结构优化,还有很多应用领域,如振动分析、流体力学、热力学等。
二、结构设计优化研究概述在结构设计环节需要考虑很多要素,以确保该结构能够达到其期望的目标。
优化方案一方面要满足强度、刚度等基本要求,同时还要最小化结构的材料用量,提高设计的经济性。
因此,结构优化的核心目标是最大化的性能和最小化材料成本。
好的结构设计必须在质量和成本之间找到平衡点。
以悬索桥为例,悬索桥最初仅用于特定领域,后来随着技术飞速发展,悬索桥成为一种受欢迎的桥梁类型。
当新一代悬索桥与传统桥梁设计比较时,后者的结构控制比例更高,经济效益相同的情况下,前者使用的钢材量更节约。
借助有限元方法,我们可以对这类跨距更大、复杂多变的结构进行分析和优化设计。
三、有限元方法在结构优化中的应用有限元方法在工程学中已广泛应用,特别是在结构优化领域。
以下列举出其应用的几个重点。
1. 材料特性-有限元方法可以用来模拟材料特性,钢材的刚度、弹性模量和杨氏模量等。
这有助于确定材料的组合方案、减少材料的用量,从而改善结构的质量。
例如,当卡车等车辆行进在斜坡上时,对桥梁进行三维建模,可以确定最佳桥梁通行方向,提高其承载能力。
2. 振动状况分析-有限元法可以对结构的振动情况进行分析,根据分析结果给出建议的改进方案,从而增强结构的刚度,避免出现类似风吹桥摇的情况。
同时,有限元法还可以用于模拟地震的振动,这对地震区域的安全结构设计很有价值。
矿用隔爆型电气设备的外壳强度设计探讨

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图 1 圆筒形截面拉应力示 意图
2:
为了计算筒壁在各截面上的应 力 , 可用截面法 p 一爆炸压力 ,a P; 分别通过圆筒直径的纵 、 向截面将 圆筒截为两部 式 中: 横
D 一平均直径 , m;
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20 年第6 16 1 期
煤
矿
机
电
n 一法兰外直径 , m; 6 一法兰内直径 , m; ^ 一法兰厚度 , m; P 一爆炸压力 ,a P。
・ 1 3・
6 厚度 , 一 m;
[ 一许用应力。 ]
用上两式对圆筒型薄壁外壳进行强度校核或选 择所用材料 的壁厚。还要考 虑一定的安全系数 n 、
壳的设计方法。 关键词 : 矿用;隔爆型; 外壳; 设计 中图分类号 :H 13 T 2 文献标识码 : B 文章编号 : 0 — 84 20 )6 03 0 1 1 0 7 (06 0 — 00— 4 0
En ls r r n t sg fMiig Fa co u e St g h De i n o n n lme p o fE e tia p r t s e — r o lc r l c Ap a a u
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3 0・
煤
矿
机
电
20 年第6 06 期
矿用 隔爆型 电气设备 的外壳强度设计 探讨
钱松 , 倪春 明
( 煤炭工业上海电气防爆检验站, 上海 206 ) 002
摘 要 : 运用材料力学原理 , 对矿用隔爆型电气设备外壳进行受力分 析, 详细介 绍 了矿用隔爆 外
D D
, z
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, ,
隔爆外壳, 具有这种结构的电气设备称 为隔爆型电 气设备 。本文针对隔爆外壳的强度问题提出初浅看
矿用隔爆型计算机机壳结构设计

t fa e ro nlsr w s ba db ots.hc ae ul l cai r e  ̄ , _ e h l m pofe oue a tn ycnr t ih v flpa tt m h c po n so n c oi e a w g y oh e n a p e l f n
fCh n q n e e r h I s t t f h n o l e h o o y& En i e r g Gr u ‘ o g i g R s a c n t u e o i a C a c n lg i C T gn e i o p n
C r oain, h n qn 0 0 9, h n ) op r t C o g i g4 0 3 C ia o
【 摘
要】 满足一定的强度要求是矿用隔爆型计算机机壳的结构设计关键 , 基于薄板应力理论 , 建
立了隔爆机 壳强度设计的力学模型 , 初步计算 出了 壳、 机 法兰板厚尺寸; 建立起机 壳三维模型 , 利用有 限元分析方法对其进行数值仿真分析 , 出了机壳应力分布状 态, 找 利用尺寸优化设计方法对其进行结 构优化 , 分析 了两种优化结构的应力分布情况。对比得 出了满足强度要求且重量轻的隔爆机 壳, 充分发
挥 了材料 的力学性 能 , 高 了企业 经济效益 。 提 关键 词 : 隔爆 机壳 ; 度 ; 强 等效应 力 ; 优化设计 【 btat Stfi r i t nt eurm ns r e t cua ds no nn fa e ro A src】 aiy gc tnseghrq i etWtkyi sr trl i s n ea r e i s n u g fmii l m po e g f
机 械 设 计 与 制 造
隔爆外壳门体的优化设计

隔爆外壳门体的优化设计作者:郭春红,王俊峰,郭俊杰来源:《科技创新与生产力》 2014年第12期郭春红,王俊峰,郭俊杰(山西汾西机电有限公司,山西太原 030027)摘要:通过ANSYS Workbench软件对矿用电气设备隔爆外壳进行非线性有限元分析,并结合有限元技术对门体结构进行了优化设计,使门体的重量减少8.28%,经过试验验证,达到了国家标准要求,保证了产品的可靠性。
关键词:优化设计;有限元分析;门体中图分类号:TD684 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2014.12.057收稿日期:2014-08-19;修回日期:2014-11-19作者简介:郭春红(1968-),女,甘肃渭源人,硕士,研究员,主要从事矿用电器新产品开发研究,E-mail:fj_gch@。
矿用隔爆型电气设备主要用于具有爆炸性气体环境的煤矿,对供电系统及井下其他设备起到控制、调节和保护作用。
该设备主要由隔爆外壳、机芯及电缆引入装置等部分组成,装有电气元器件的机芯安装于隔爆外壳内,隔爆外壳是该产品的关键部件之一。
矿用隔爆型电气设备的隔爆性和耐爆性是由隔爆外壳来保证的,在产品设计中,其隔爆外壳的可靠性与安全性对煤矿安全生产至关重要。
因此根据国家标准要求产品出厂前都要进行水压试验,以满足壳体的强度和刚度要求。
本文在ANSYS中建立了可尺寸驱动的隔爆外壳门体有限元模型,以实际情况下门体孔台阶为约束边界条件,实际承受的最大载荷为载荷边界条件,对门体进行了有限元分析及多目标多尺寸优化,并将优化结果进行了样机制造和试验验证,通过验证该方法的可行性和可靠性,可以将其应用到整个防爆外壳的优化设计中,最后推广到每个产品,使每个产品的设计趋于最合理状态。
1 建立有限元模型1.1 门体实体模型门体结构是由法兰、腹板、筋、观察窗座焊接而成的,为了获得最高的性价比,在法兰及观察窗座结构确定的情况下对筋、腹板的结构进行优化。
矿用低压保护箱外壳的设计及制造

护不要 发生碰撞 , 万一 碰撞 并 影 响 其 隔爆 性 能 必须 进 行修 复 , 否则不 可以继续使 用 。
3 低压保护箱盖 的设计及制造
2
前 盖的组成部 分 主要 有 ( 图 1 : 兰 、 板 、 如 )法 面 观 察窗等 , 按照 图纸将 一 些零 件 组 焊 成 部件 再 将 部件 按 照壳体 图纸中 的要求 焊接成 形 。焊接成 形 的上盖需 要
的壳体总装 , 主要有( ) 1 闭锁 机构 、2 壳体焊接 、3 () () 上盖、4 前门、5 电缆引入装 置、6 开门机构等 。 () () ()
接成形的壳体需要进行震动时效处理降低和均化残余
应力 , 使壳体各 方面作用 的力基本 趋于平衡, 防止变 形。
壳体 的隔爆面制造工艺如下 : 加工壳体上腔法兰
XUE — a XI t u qa g De b o, A to — i n
( uhuC a MieMahnr at yXuhn2 0 ,hn ) X zo o1 n cieyFco , zo 2 4 C ia r 1 0
Ab t a t T ep p rpe e t a -ro o sn n e in a d ma ua tr fMie f mep o fmo i u sain s r c : h a e rsn sf mep o fh u ig a d l - l ・ e o
论研究和实践证明: 在相同容积、 同形状的隔爆外壳 不 中, 非球形外壳 中的爆炸压力 比球形外壳中压力低 , 即 球形外壳的爆炸压力大 , 而长方体外壳爆炸压力小 , 外 壳内的爆炸压力是随着容器形状 的不同而改变。这是 因为随着外形散热表面积的增大而降低 了爆炸压力。 因此设计时采用了长方体 , 这样可以提高外壳的耐爆 能力。但长 、 、 宽 高尺寸之 比不要过大 , 否则易发生压 力重叠现象 。隔爆外壳不但具有耐爆性还应具有隔爆 性, 无论何种形状的外壳 , 都不是天一无缝的整体 , 各 零件间的接合面处存在缝 隙。理论研究和实践证明了 隔爆 接合 面间 隙越大 传爆 性越 强 , 反之传 爆性越 弱 , 隔 爆性能越好。因此只要接合面的间隙及接合面的长度 设计合理就能起到隔爆的作用。
矿用车车箱的设计与有限元分析设计论文(新)

4:任学平;王美;高耀东矿石冲击载荷作用下矿用车车厢的强度分析
介绍一种利用有限元法对矿石冲击下矿用车车厢强度进行分析的方法,以某型号矿用车车厢为例,研究车厢在冲击载荷作用下的应力分布情况,分析影响冲击的各种因素,指出提高车厢抗冲击能力的途径,为以后设计提供依据和指导。研究表明:欲提高车厢抗冲击能力,必须全面提高车厢的强度特性,其中,增加车厢底板钢板厚度即为一种可行的方法。
5:钟佩思;黄雪涛;邹容;张悦刊基于AWE的矿用车车架结构CAE分析煤矿机械2007年第05期
运用ANSYS Workbench(AWE)集成开发平台建立了车架结构的实体单元模型,对车架结构进行了静力学和动力学分析,用以指导车架的实际生产。在AWE环境Design Modeler模块中对车架进行三维建模;借助于这个模型,在AWE的Design Simulations模块中进行网格划分和约束载荷的施加;在此基础上并行地对车架进行了静力条件下的应力应变分析和车架的模态分析。
2、更为强大的网格处理能力
有限元法求解问题的基本过程主要包括:分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否,近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入,使网格生成的质量和效率都有了很大的提高,但在有些方面却一直没有得到改进,如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分,除了个别商业软件做得较好外,大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元,现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元,但这些功能都只能对简单规则模型适用,对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元,如果不使用中间节点,在很多问题中将会产生不正确的结果,如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题,因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上,根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题,在整个求解过程中,模型的某些区域将会产生很大的应变,引起单元畸变,从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确,因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。
基于有限元的爆炸法制备膨胀石墨的壳体

价值工程0引言爆炸膨化是利用火药低速爆炸时产生的热量使可膨胀石墨快速地膨化,随着反应的进行,壳体内到达爆炸极限时,爆轰波炸开壳体,使膨胀石墨分散在预定空域形成“膨胀石墨型气溶胶干扰云团”。
这种方法较小破坏膨胀石墨的形态,而且符合时间要求且可膨胀石墨膨化效果理想。
但这种方法也有不足,即爆炸的临界条件不易控制,容易提前爆炸,导致可膨胀石墨膨化不完全。
通过大量研究发现,影响可膨胀石墨爆炸膨化的因素有壳体材料、结构、强度,药剂本身和起爆方式等。
ANSYS LS-DYNA 是分析爆炸加载下应力波的传播及材料破坏的优秀软件,本文假设药剂不变,借助ANSYS LS-DYNA 对壳体进行仿真,分析爆炸时壳体内压强等参数的变化规律,为优化壳体结构和膨胀效果提供技术支持。
1问题描述与建模分析1.1问题描述爆炸法制备膨胀石墨装药结构示意图如图1所示,膨胀石墨燃爆剂装入圆柱形容器内(壳体材料为45号钢,端盖材料为铝合金),容器的端盖上刻有应力槽。
当点燃导火索后,燃爆剂发生化学反应,产生大量气-固混合物,容器内压力迅速增加;由于应力集中原理,端盖应力槽处最脆弱,端盖被压力顶开,反应产物迅速喷出到空中,形成“膨胀石墨型气溶胶干扰云团”。
本文需求出爆炸时壳体内压强和端盖位移随着槽深度变化的曲线。
1.2建模分析数值模型由壳体、燃爆剂和端盖三部分组成,其中壳体、燃爆剂两种材料才有欧拉网格建模,单元采用多物质ALE算法,端盖采用拉格朗日网格建模,端盖与燃爆剂间采用耦合算法。
假设燃爆剂混合均匀,在中心线起爆条件下,不考虑端部效应时,可将模型简化成对称问题。
为方便建模,本算例采用单层网格建模。
单位模型采用cm-g-us 单位制,建立的四分之一模型如图2所示。
假设模型满足以下两个个条件:1.2.1爆炸不能炸开钢制壳体,而从端盖处炸开,那么建立模型时就不必画出壳体,在求解时对燃爆剂体施加一定的约束条件即可;1.2.2假设燃爆剂混合均匀,在中心线起爆条件下,不考虑端部效应时,可将模型简化成对称问题。
基于有限元分析的结构优化设计方法研究

基于有限元分析的结构优化设计方法研究在工程领域中,结构设计是一项重要的任务,它直接影响到工程项目的稳定性和安全性。
为了提高结构设计的质量和效率,近年来,人们开始广泛应用基于有限元分析的结构优化设计方法。
本文将探讨这一方法的原理、应用和未来发展方向。
一、有限元分析的原理有限元分析是一种数值计算方法,用于求解连续介质力学问题。
它基于有限元法的理论,将复杂的结构分解为有限的子单元,利用数值模拟和计算的方法,逐步逼近真实结构的行为。
有限元分析的原理可以总结为以下几个步骤:1. 网格划分:将结构划分为有限个小的单元,每个单元都有一组节点和自由度。
2. 单元本构关系:定义每个单元的材料性质和本构关系,例如弹性模量、泊松比等。
3. 边界条件:定义结构的边界条件,包括约束和荷载。
4. 求解方程:根据边界条件和单元本构关系,建立结构的运动方程,通过求解得到结构的应力和位移场。
二、结构优化设计结构优化设计是指在给定的设计变量和约束条件下,寻找最优的结构几何形状和材料分布,以满足设计要求。
基于有限元分析的结构优化设计方法主要包括以下两种形式:1. 拓扑优化:该方法通过在结构中添加或移除材料,改变结构的拓扑形状,实现结构的优化设计。
拓扑优化常用的算法包括密度法、梯度法等。
2. 尺寸优化:该方法通过改变结构的尺寸参数,如截面尺寸、厚度等,来实现结构的优化设计。
尺寸优化常见的算法包括等高线法、灰度法等。
三、应用案例基于有限元分析的结构优化设计方法在各个领域都得到了广泛应用。
以航空航天领域为例,研究人员利用该方法对飞机机翼结构进行优化设计。
通过调整材料分布和拓扑形状,他们成功提高了机翼的强度和刚度,同时减轻了重量,提高了飞机的性能。
类似的优化设计方法还可以应用于汽车、建筑、桥梁等领域,以实现更高效的结构设计。
四、未来发展方向虽然基于有限元分析的结构优化设计方法已经取得了一些重要成果,但仍存在一些挑战和待解决的问题。
未来的发展方向包括以下几个方面:1. 多学科优化:结构优化设计不仅需要考虑力学性能,还需要兼顾其他学科指标,如流体力学、热学等。
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S ok 软件进 行有 限 元分 析 , 据分 析 结 果对 壳 体 wrs 根
进行 改进 , 可获得满 意 的效 果 。
1一 盖 ; 壳 2一壳 体法 兰 ; 3一圆 筒形 壳 壁 ; 4一壳底 ;
D 1一法兰内径 ; 2~法兰外径 ; 一 壁内径 ; D D 壳
圆筒 形外 壳建 模 , 再利 用 C S O w rs 件对 壳体和 壳 盖静 载 工况 的应力进 行 有 限元 分析 , 据 O M S ok 软 根 分析 结果整体 降重后 , 再次 计算 实体 应 力 , 以检 测 改后 的结果 能否达 到 强度 、 刚度 要求 。
关键词 : 弹塑性理论 ;圆筒形 壳体 ;有 限元分析 中图分类号 :D 8 T 64 文献标识 码 : B 文章 编号 :0 1 0 7 (0 8 0 0 2 0 10 — 8 4 2 0 ) 6— 0 9— 4
De in o n l d rF a p o fE co u e sg fMie Cyi e lme r o n ls r n
Ba e n Fii - e en e h d s d o nt Elm e tM t o
GONG p-n Li ig,S ONG — l ,L U ・ o g Zhia l I Ze y n ,
图 1 圆 筒 形外 壳 示 意 图
1 )圆筒形外 壳 的壁厚设计
隔爆外 壳 的圆筒形 壳壁属 薄壁容 器范畴 。根据
Sl w rs 件 进 行 三 维 建 模 , 后 应 用 C S — o d ok 软 i 然 O MO
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20 08年第 6 期
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基 于有 限元 法 的矿 用 隔爆 型 圆筒形 外壳 设 计
巩利萍 , 宋志安 , 刘泽勇
(【 L东科技大学 机械电子工程学 院,山东 青 岛 2 6 1 ) j 65 0
摘 要 : 采 用弹 塑性力 学理 论对 外壳进 行初始 化设 计 , 用 Sl w rs软件将 得 到 的设计 参数 对 运 o d ok i
( ol eo Mehn a & Eet ncE g er g Sa dn nvr t o c neadT cnl y Qnd o 6 50, hn ) C l g f cai l l r i n i ei 。 hn ogU i sy f i c n eh o g , iga 6 1 C ia e c co n n e i S e o 2
K y r s: t e r f lsii n lsii ;c l d re c o u e i i lme ta ay i e wo d h o o at t a d pat t y e cy c y yi e n ls r ;f t e e n n ls n ne s
1 引言
Ab ta t T i p p rd sg st e s el n i i aiai n b s g t e t e r f lsii n lsii s r c : h s a e e in h h l i nt l t y u i h h oy o a t t a d p a t t i z o n e cy c y;s u p st e c lt h
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一
/
/
矿用 隔爆 型 电气 设备 的隔爆性 能是通 过 隔爆外
壳 实现 的。隔爆外 壳 的 隔爆 性 为 : 外 壳 能 否有 效 ① 地 承受 内部 爆炸 ; 内部点 燃 耐 不传 爆 。 圆筒 型 隔 ② 爆外 壳多用 于小型 隔爆型 电气设备 外壳 进 行 初 步设 计 , 得 出外壳 的 壳体 壁 厚 , 兰 厚度 等初 始 参 数 ; 用 法 利
2 圆筒形 隔爆 外 壳的强度 、 刚度设 计 根据爆炸性 气体 环境用 电气设 备 国家 标 准汇编 G 33 . 4 00 确 定 隔爆 外 壳 的强 度 、 度 , B 86 1— _20 , 刚 并 对外壳 进行耐压试 验 。
( )强度设计 1
B 一 1 壳体法兰壁厚 ; 2 壳盖法兰壁厚 口一