沖擊載荷作用下的DN80型燃氣電磁閥動態可靠性分析＊

張克軍 ， 劉建飛 ， 李明昊

（1.遼寧機電職業技術學院黃海汽車工程學院，遼寧 丹東 118009；2.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159）

燃氣電磁閥對燃氣系統的影響至關重要，其可靠性直接關系著燃氣系統的可靠性，如果其動態可靠性不足，對燃氣系統安全性是重大的安全隱患，因此對其進行動態可靠性分析是必要的。章炳法等對汽車發動機的燃氣電磁閥進行設計，并采用可調和緩沖結構，保證了使用精度，延長了使用壽命，提高了可靠性[1]。陳雪勇等對燃氣電磁閥的關鍵零件芯軸進行了可靠性分析，提出了改進措施，提高了可靠性[2-3]。龍智睿等對ESD閥進行了可靠性分析并優化，使其反應更加快速靈敏，提高了系統的可靠性[4]。基于文獻調研可知，燃氣電磁閥的動態可靠性分析鮮有報道，本文對沖擊載荷作用下的DN80型燃氣電磁閥進行分析，建立燃氣電磁閥的三維模型，結合動態可靠性分析理論，得到其動態可靠度。

1 理論背景

1.1 數理統計基礎

在機械工程領域的可靠性分析中，數理統計是必要的環節，選取合適的數理統計方法可以得到更加接近實際的分析結果。數理統計方法一般有二項分布、泊松分布、正態分布、對數正態分布和威布爾分布、指數分布等，在動態可靠性分析中常用正態分布進行統計，如果對疲勞壽命可靠性進行分析，可以選用對數正態分布和威布爾分布，而指數分析常用于電子元器件的可靠性分析中。本文依據分析對象和分析目標，選取正態分布，其概率密度函數為：

需要注意的是，隨著科技和能力的提升，正態分布的均值和方差均有所降低，但是依然是符合正態分布的。

1.2 有限元法理論

利用有限元法進行結構分析時首先將結構離散化，再選擇恰當的位移函數模擬結構的位移分布，形成有限單元的剛度矩陣K(e)和單元節點的等效載荷矩陣，最后形成總體剛度矩陣，然后對有限元基本方程K·d=f進行解算即可得到單元上各節點的位移。單元載荷矩陣中的面載荷在電磁閥分析中較為常用，位于邊界上的某一單元，面上存在均布的面力時，單元面力載荷矩陣可表示為：

2 沖擊載荷作用下燃氣電磁閥有限元分析

2.1 燃氣電磁閥有限元模型的建立

三維建模軟件種類繁多，較常用的有PRO/E、UG和SOLIDWORKS，本文選取UG進行建模，然后選取實體模型，另存為x-t格式。利用WORKBENCH的幾何處理模塊進行導入，對其進行設定單元類型，網格單元類型的選定，網格劃分。因為ANSYS WORKBENCH的建模能力較弱，對于以下曲面模型的建立操作較為復雜，所以選取UG建模，為x-t格式無損導入的方式建立電磁閥的三維模型，可以提高分析的準確性[5]，DN80電磁閥的有限元模型如圖1所示。

圖1 DN80電磁閥有限元模型

2.2 沖擊載荷作用下燃氣電磁閥有限元分析

在進行有限元分析之前，需要設定燃氣電磁閥的約束，燃氣電磁閥的約束是決定可靠性分析結果重要的影響部分，法蘭是連接電磁閥的重要環節，所以在燃氣電磁閥的法蘭連接處設定固定約束（FIXED），燃氣電磁閥的內表面加載動態分析載荷。動態分析載荷采用正態分布的形式，均值為0.6MPa，變差系數取0.05，加載到電磁閥的內表面，并對其進行求解，得到等效應力和變形云圖和最大值位置分別如圖2、圖3所示。

圖2 電磁閥等效應力云圖

圖3 電磁閥變形云圖

由圖2、圖3可知，基于沖擊載荷的燃氣電磁閥最大等效應力為67.877MPa，安全系數為3.02，燃氣電磁閥變形最大值為0.216 63mm。

3 基于正態分布的DN80型燃氣電磁閥動態可靠性分析

動態可靠性分析是基于動態載荷的分析，一般的可靠性分析難以表達動態沖擊載荷作用下的規律，隨著載荷多次反復作用和環境因素的影響，機械零部件的強度是隨著服役時間的增加而延長，其性能參數呈退化趨勢，如果性能參數退化到一定程度，機械零部件不能滿足工作條件的需要，發生失效，所以在一般可靠性分析結果之上需要進一步進行動態可靠性分析。剩余強度是機械零部件動態可靠性分析關鍵環節，其定義為機械零部件經過載荷的n次作用[6]，其承受載荷的能力的數學表達式為：

式中：S(n)為剩余強度，S0為初始強度，n為載荷作用次數，N為疲勞壽命。

基于動態可靠性分析結果，得到燃氣電磁閥動態可靠性規律曲線如圖4所示。由圖4可知，燃氣電磁閥的可靠度由0.961 6開始呈下降趨勢。

圖4 燃氣電磁閥動態可靠性規律曲線

4 結論

基于動態可靠性分析理論，結合有限元軟件ANSYS WORKBENCH對DN80燃氣電磁閥進行動態可靠性分析，得到了燃氣電磁閥等效應力和變形云圖，結論如下：

1)對燃氣電磁閥進行建模和有限元分析可知，燃氣電磁閥最大等效應力為67.877MPa，安全系數為3.02；燃氣電磁閥變形最大值為0.216 63mm。結構強度基本符合設計要求。

2)基于動態可靠性分析結果，得到燃氣電磁閥的動態可靠性規律曲線，燃氣電磁閥的可靠度由0.961 6開始呈下降趨勢，為燃氣電磁閥的設計提供了明確的數據支撐。