水壓試驗裝置提升吊耳的優化設計

姚貴英，高靜敏，杜小勇，鄭箐華

(1.河北工程大學機電學院，河北邯鄲056038;2.河北工業大學機械學院，天津300130)

氣瓶水壓試驗是檢驗氣瓶性能最直接和最有效的手段[1]。伴隨氣瓶水壓試驗方法的產生，氣瓶水壓試驗裝置也應運而生。國外以美國為代表的氣瓶生產國和使用國，其對外測法水壓試驗裝置的研究由最初從硬件上對封頭密封性的改進，到后來從軟件上對外測法水壓試驗裝置的控制系統進行研究，并逐步的由半自動化控制發展到自動化控制[2]。國內外測法水壓試驗相對起步較晚，氣瓶水壓試驗裝置的硬件配置和測控軟件配置遠遠落后于發達國家。目前國內主要是對該轉裝置的測控軟件配置進行研究來提高外測法水壓試驗裝置的質量[3－5]，尚未發現從硬件上對該裝置的各個零部件的設計與研究。本文運用Pro/E和 Ansys[6－7]設計軟件對 QS －1 型高壓無縫氣瓶水壓測試機的提升吊耳進行優化設計，以提高國內外測法水壓試驗裝置的硬件配置。

1 提升吊耳靜力分析

1.1 模型建立

水壓試驗裝置主要由制動架、架體、滾動裝置、提升吊耳、密封蓋、受試瓶和液壓缸組成。其中，提升吊耳是外測法水壓試驗裝置的關鍵部件。

實驗裝置完成對氣瓶檢測后，受試氣瓶被提升吊耳向上拉起，此時提升吊耳的受力最大。本設計通過對此時提升吊耳進行受力分析，進而在Pro/E中建立外測法水壓試驗裝置提升吊耳模型(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體模型導入Ansys軟件workbench模塊中，轉化成有限元分析模型。

1.2 加載

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

步驟2:網格劃分。網格劃分選用自動劃分方式，單元格大小設置為20 mm×20 mm。

步驟3:施加約束。根據提升吊耳的實際工作狀況可知，提升吊耳通過滾輪將立板固定在架體上，實現提升吊耳沿架體軌道上下運動。為便于有限元分析，將約束簡化為固定約束施加在立板一側。

步驟4:施加載荷。提升吊耳在最大受力狀態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個耳板的內軸孔處，方向豎直向下。計算過程中忽略滾輪與滑道之間的摩擦力和氣瓶的輕微擺動。

1.3 靜力分析

根據機械零件設計要求，零部件都必須具有一定的強度和剛度，以防止設計產品在正常工作條件下發生斷裂或嚴重塑性變形[8]。

本次設計提升吊耳材料選用Q235碳鋼，其最大許用應力為

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

經Anasys workbench計算得到的應力分析云圖(圖2)，可知提升板最外端應力最大，最大應力為66.3 MPa。而由式(1)計算得材料最大許用應力為117.5 MPa，易知提升板最外端最大應力遠小于提升吊耳的最大許用應力，故需對該吊耳進行拓撲優化。

經Anasys workbench計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。而氣瓶檢測過程中提升吊耳總體變形量不得超過1.5 mm，易知最大變形量在提升吊耳實際工作所允許的變形量取值范圍之內，同樣表明需對該吊耳進行拓撲優化。

2 模型拓撲優化

采用均勻化方法[9]對提升吊耳進行拓撲優化。將提升吊耳在Ansys workbench軟件中，以去除30%的材料為優化目標進行拓撲優化，得到拓撲優化分析云圖(圖4，其中深色區域為去除材料的部分，淺色區域為保留材料的部分)。為保證精簡后的提升吊耳工作可靠性高，設計更合理，可對精簡后的模型做進一步的優化設計。

3 精簡模型的優化設計

3.1 靜力分析

根據拓撲優化結果，在Ansys workbench軟件中建立精簡后提升吊耳的參數化建模(圖5)。初定精簡模型中立板厚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Ansys workbench軟件分析，得到提升吊耳的提升板最外端有較大應力集中且總體變形量最大，最大應力為92.7 MPa;最大變形量為1.2 mm。可知精簡模型在安全工作需要范圍內，故初定的精簡模型厚度滿足要求。

3.2 優化設計

優化設計目的是對精簡提升吊耳板厚進行優化，因此將精簡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為輸入參數。在外測法水壓試驗裝置對受試氣瓶進行檢測時，提升吊耳的變形量直接影響到密封蓋的密封效果，故將精簡模型總體變形量最大值設為輸出參數。經Ansys workbench計算產生A、B、C三組候選的優化設計點，見表1。在比較A、B、C參數后，其中A組總體變形量最小，故設A組為作為正式設計點進行優化設計。

表1 三組優化設計點Tab.1 Table of three optimizing design point

經有限元計算后可得出最優提升吊耳尺寸組，經圓整后為提升板厚22 mm，右側立筋板厚16 mm，左立筋板厚14 mm，可得提升吊耳總體變形量為0.87 mm。提升吊耳拓撲優化后的總體變形量為1.2 mm，經進一步優化設計后其最大變形量為0.87 mm，易知優化設計總體變形量比拓撲優化設計總體變形量減少了30%。

4 結論

運用Ansys軟件對外測法水壓試驗裝置提升吊耳進行了優化設計，保證提升吊耳安全可靠地工作前提下，經拓撲優化后其質量減輕30%，得到提升吊耳的精簡模型。在Ansys workbench軟件中對該精簡模型進行參數化建模，并進一步對該精簡模型進行優化設計，使其變形量減少30%。此外，本設計填補了國內對氣瓶外測法水壓試驗裝置具體零部件的設計與研究的空白。

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