電熱內(nèi)膽仿真分析

王羽 曹冠忠 王德君 田海燕 荊彥濤 張洪烈

（1.青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司，山東青島 266101；2.數(shù)字化家電國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100）

在工業(yè)設(shè)計(jì)越來越數(shù)字化的今天，運(yùn)用新技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)便成為了一種趨勢。仿真技術(shù)可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期對產(chǎn)品存在的缺陷進(jìn)行高精度的預(yù)估，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了實(shí)驗(yàn)流程，能夠縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低開發(fā)成本。該技術(shù)逐漸成為工程師進(jìn)行前期設(shè)計(jì)的一種手段，也被廣大企業(yè)所接受和認(rèn)可。

在電熱水器中，內(nèi)膽漏水問題一直是行業(yè)棘手的問題。對其漏水原因進(jìn)行分析，焊縫區(qū)域的相當(dāng)一部分漏水情況是長期使用所引起的疲勞破壞，內(nèi)膽上漏水大多是內(nèi)部瓷層破壞進(jìn)而水腐蝕導(dǎo)致的，也有個(gè)別是由于強(qiáng)度問題引起的。如何在保證焊接質(zhì)量和工藝的前提下，在設(shè)計(jì)前期對內(nèi)膽強(qiáng)度進(jìn)行全面評估就成為解決問題的關(guān)鍵。目前來說，電熱內(nèi)膽的有限元分析方法及校核標(biāo)準(zhǔn)還未形成行業(yè)規(guī)范，王羽等人[1]針對母材部分進(jìn)行了強(qiáng)度分析的探索。本文將全面闡述運(yùn)用有限元手段進(jìn)行電熱內(nèi)膽分析，使其在前期設(shè)計(jì)階段規(guī)避掉由于強(qiáng)度引起的質(zhì)量問題。

1 電熱內(nèi)膽受力特征

電熱內(nèi)膽的設(shè)計(jì)使用壽命一般是八年，這就意味著其承受的是長期的交變載荷，在這種情況下它的破壞就是疲勞應(yīng)力引起的強(qiáng)度破壞。內(nèi)膽在均布內(nèi)壓作用下，其環(huán)向和軸向的“纖維”受到拉伸，存在環(huán)向應(yīng)力σ0、軸向應(yīng)力σm和徑向應(yīng)力σr。電熱內(nèi)膽一般屬于薄壁內(nèi)膽，對于薄壁內(nèi)膽來說，其徑向應(yīng)力遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的應(yīng)力值。

對于圓筒型殼體，筒體上的環(huán)向應(yīng)力σ0為：

軸向應(yīng)力σm為：

其中，p為內(nèi)壓，D為內(nèi)膽內(nèi)徑，t為內(nèi)膽壁厚。

本文以深拉伸內(nèi)膽為例進(jìn)行闡述，這種內(nèi)膽，是兩塊板料分別深拉伸成型后，對接焊而成，其焊縫僅有一道，位于內(nèi)膽中筒的中間位置，為環(huán)向焊縫，在內(nèi)壓下它的受力就是如圖1所示的軸向應(yīng)力。

圖1 內(nèi)膽受力圖

2 電熱內(nèi)膽的疲勞實(shí)驗(yàn)

根據(jù)電熱內(nèi)膽的受力特征，分別從內(nèi)膽上取相應(yīng)的母材區(qū)和焊縫區(qū)的材料，按照GB/T 3075-2008《金屬材料 疲勞實(shí)驗(yàn)軸向力控制方法》[2]和HB/Z 112-1986《材料疲勞實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析》[3]的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在MTS-100KN 的疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,內(nèi)膽材料疲勞實(shí)驗(yàn)圖如圖2 所示。

圖2 內(nèi)膽材料疲勞實(shí)驗(yàn)圖

對樣本的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，母材和焊縫區(qū)材料擬合的S-N 曲線如圖3、圖4 所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，母材和焊縫區(qū)材料的應(yīng)力均隨著加載次數(shù)的增加而降低，母材區(qū)下降趨勢相對較緩慢，而焊縫區(qū)下降趨勢明顯。內(nèi)膽的設(shè)計(jì)使用壽命一般是八年，根據(jù)其使用頻率，企業(yè)規(guī)范里對應(yīng)的總使用次數(shù)為16 萬次。本文分別從擬合的數(shù)據(jù)中提取16 萬次循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的應(yīng)力，作為校核母材區(qū)和焊縫區(qū)材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 母材疲勞S-N 曲線

圖4 焊縫疲勞S-N 曲線

3 電熱內(nèi)膽的有限元分析

本文以一電熱內(nèi)膽為例，進(jìn)行了正常承載下的有限元分析，其焊縫區(qū)域按照全熔透的焊接方式建模，其典型部位的有限元分析結(jié)果如下，電熱內(nèi)膽有限元模型如圖5 所示，封頭過渡區(qū)應(yīng)力云圖如圖6 所示，中筒部位軸向應(yīng)力云圖如圖7 所示。

圖5 電熱內(nèi)膽有限元模型

圖6 封頭過渡區(qū)應(yīng)力云圖

有限元結(jié)果顯示，整膽的應(yīng)力最大處位于上封頭過渡區(qū)，應(yīng)力大小為100.2 Mpa，焊縫區(qū)應(yīng)力為45.3 Mpa，根據(jù)提取的16 萬次循環(huán)次數(shù)的疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)，整膽的校核結(jié)果如表1所示。

圖7 中筒部位軸向應(yīng)力云圖

表1 電熱內(nèi)膽強(qiáng)度校核

按照上述流程，本文以行業(yè)內(nèi)部分電熱水器內(nèi)膽為樣本，進(jìn)行了仿真和實(shí)際情況的對標(biāo)，結(jié)果顯示仿真標(biāo)準(zhǔn)滿足實(shí)際內(nèi)膽在使用壽命內(nèi)對強(qiáng)度的要求。

4 結(jié)論

在用戶使用過程中，電熱內(nèi)膽的漏水問題成為了行業(yè)內(nèi)一個(gè)亟待解決的問題。用仿真手段介入產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能夠提前預(yù)測問題點(diǎn)的存在，但電熱內(nèi)膽的有限元分析方法及校核標(biāo)準(zhǔn)目前還未形成行業(yè)規(guī)范。本文針對這一問題，研究內(nèi)膽的受力特征，分別對內(nèi)膽的母材和焊縫區(qū)材料進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn)，按照內(nèi)膽設(shè)計(jì)使用壽命，提取出了對應(yīng)使用壽命應(yīng)該滿足的應(yīng)力值。最后，用實(shí)例進(jìn)行了仿真分析的闡述，并運(yùn)用了大量的樣本進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)的對標(biāo)，結(jié)果顯示這一分析手段滿足內(nèi)膽使用壽命對強(qiáng)度值的要求。