基于Hypermesh和Abaqus的壓力鍋扣合強度仿真分析

龔儉龍

（佛山市順德區美的電熱電器制造有限公司， 廣東 佛山 528312）

基于Hypermesh和Abaqus的壓力鍋扣合強度仿真分析

龔儉龍

（佛山市順德區美的電熱電器制造有限公司， 廣東 佛山 528312）

本文以某型號壓力鍋為研究對象，利用Hypermesh和Abaqus仿真軟件對壓力鍋外鍋厚度分別為1.2mm和1.0mm的幾何模型進行扣合強度仿真分析，結合實際水壓測試工況下的內壓加載方式，得到壓力鍋在承受不同內壓載荷下的受力變形情況，從而為電壓力鍋扣合結構的優化提供了依據和借鑒。

壓力鍋；外鍋；上蓋；扣合強度分析

電壓力鍋是一種用電加熱，并通過控溫、控壓產生一定壓力來實現快速烹飪的密封式烹飪多功能鍋。電壓力鍋主要由外鍋、鍋蓋、內鍋、加熱盤、膜片、限壓閥等部分組成，由于工作時鍋內壓力通常在70～120kPa，作為壓力容器，如果外鍋和上蓋扣牙間的扣合強度不足，則可能會發生“爆鍋”事故，造成生命和財產損失，因此其安全性備受關注。目前壓力鍋生產企業遵守的標準是《鋁壓力鍋安全與性能要求》,壓力鍋生產企業在進行壓力鍋設計和生產時對壓力鍋的安全性作整體的分析和考慮，每款壓力鍋在開發過程中都需要經過破壞壓力為420kPa的水壓性能測試，測試環境如下圖1所示。隨著標準的重新修訂，目前新標準下的產品破壞壓力將可能修訂為300kPa，從而目前的壓力鍋產品承壓部件均有優化空間，需提前對其進行相關研究，以實現壓力鍋產品結構和成本的優化。

圖1 水壓測試工裝環境

本文以某型號壓力鍋為研究對象，利用Hypermesh和Abaqus仿真軟件對不同外鍋厚度的壓力鍋模型進行扣合強度有限元分析，結合實際水壓測試工況下的內壓加載方式，得到壓力鍋在承受不同內壓載荷下的受力變形情況，從而為電壓力鍋承壓結構的優化提供了依據和借鑒。

1 研究技術路線

本文對壓力鍋扣合強度性能的研究路線如下圖2所示，首先對壓力鍋密封承壓系統進行功能分析，可以得到影響壓力鍋扣合性能的關鍵部件是外鍋和上蓋。從而以壓力鍋外鍋和上蓋的扣合結構系統為研究對象，進行有限元仿真分析，從而得出關鍵扣合部件的應力和變形情況。

圖2 研究技術路線

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文利用PRO/E三維制圖軟件建立壓力鍋中扣合部件的實體模型，如圖3所示，它主要包括外鍋和上蓋兩個部件，它們之間是通過6個扣牙進行扣合的。然后通過PRO/E與Hypermesh的直接接口將實體模型導入Hypermesh中進行網格劃分，從而建立壓力鍋外鍋和上蓋的有限元模型，如圖4所示。整個有限元模型共有237355個shell單元，單元類型為S4R。

表1 材料參數

表2 仿真結果

圖3 幾何模型

圖4 網格模型

2.2 材料參數

壓力鍋扣合部件中各個部件的材料參數見表1所示。

2.3 仿真結果

壓力鍋水壓測試時的內壓加載是隨著時間變化的，整個試驗測試過程需要經過五個壓力載荷階段的測試，這五個壓力載荷階段分別為正常工作壓力70MPa、防護壓力140MPa、泄壓壓力245MPa、破壞壓力300MPa和極限壓力420MPa。

本仿真針對外鍋和上蓋扣合的有限元模型，以實際水壓測試工況下的內壓加載方式進行加載，從而計算出外鍋厚度分別為1.2mm和1.0mm時的扣合強度仿真結果，兩組試驗仿真結果如下表2所示。

從表2可以看出，隨著壓力鍋內壓載荷逐漸增大，外鍋上的最大應力值、最大位移量和最大應變值都會隨之增加。

從圖5～7可以看出，隨著壓力鍋外鍋厚度的減薄，外鍋與上蓋之間的扣合強度性能也隨之減弱。

圖5 內壓載荷-外鍋最大應力曲線

圖6 內壓載荷-外鍋變形量曲線

從圖5～7可以看出，1.2mm厚的外鍋大致在420kPa工況下發生脫扣現象；1.0mm厚的外鍋在420kPa工況下，早已經發生卡扣脫扣現象，且發生卡扣脫扣現象大致在346kPa左右。

從表2和表3可以看出，1.2mm厚的外鍋，在300kPa工況下，外鍋的最大位移量為4.239mm，最大應變為0.038，最大等效應力為237kPa，綜合考慮下存在一定量的優化空間；1.0mm厚的外鍋，在300kPa工況下，外鍋的最大位移量為9.85mm，最大應變為0.065，最大等效應力為254kPa，綜合考慮下發生卡扣脫扣風險不大，但需進一步實驗測試驗證。

圖7 內壓載荷-外鍋最大應變曲線

3 實驗測試驗證

圖8 水壓測試

圖9 最大承壓載荷

圖10 實驗-扣牙脫扣

圖11 仿真-扣牙脫扣

表3 仿真結果

圖12 實驗-外鍋扣牙變形

圖13 仿真-外鍋扣牙變形

從圖8和圖9可以看出，某型號壓力鍋在特制的金屬籠中進行水壓性能測試。其中1.2mm厚的外鍋在水壓性能測試時，大致在415kPa工況下發生脫扣，而仿真分析中發生脫扣的載荷是420kPa，兩者相差1.2%；從圖10和圖11可以看出，壓力鍋最先脫扣處都發生在防呆處對面扣牙處，而仿真分析中最先發生脫扣也是在此處；從圖12和圖13可以看出，壓力鍋外鍋測試后的扣牙變形情況與仿真結果中外鍋扣牙的變形情況基本相吻合。綜上所述，從而可以驗證以上仿真分析結果具有較高的準確性。

4 結語

本文以壓力鍋的扣合部件為研究對象，應用Hypermesh和Abaqus軟件對其水壓測試過程進行了扣合強度仿真分析。通過仿真分析可以得到，1.2mm厚的外鍋在420 kPa下發生脫扣現象，這與實驗水壓測試415kPa下發生脫扣現象基本吻合，從而可以驗證以上仿真分析結果的準確性。從1.0mm厚的外鍋的仿真結果看，在300kPa工況下，發生扣牙脫扣風險不大，這一研究成果從而為壓力鍋扣合結構的優化提供了依據和借鑒。

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1671-0711（2017）05（下）-0069-04