DN80型燃氣電磁閥可靠性分析及結構優化設計

張克軍，劉建飛，張 雙

(.遼寧機電職業技術學院，遼寧 丹東 118009)

燃氣電磁閥作為燃氣系統的重要零部件，其綜合性能的評價和分析是重要的關鍵步驟，在設計和制造之前對其進行分析，找到薄弱環節進行優化設計，并得到最優的設計變量數值，對燃氣電磁閥的安全性能具有重要的作用。陳雪勇對燃氣電磁閥的芯軸進行了仿真分析，并提出了改進策略[1-2]；王小江通過對ESD閥的工作機構可靠性進行分析，并提出了提高ESD閥可靠性的措施[3]；劉文提出了一種耦合仿真建模方法，在動態載荷的基礎上對燃氣供給系統進行了仿真分析[4]。基于文獻現有進展可知，基于機械優化設計理論的燃氣電磁閥分析極少，多以經驗計算為主，本文以燃氣電磁閥作為研究對象，建立電磁閥有限元模型，對其進行可靠性評價，并進行優化設計，得到了最優的電磁閥模型參數。

1 可靠性理論

可靠性分析是機械零部件設計中重要的步驟，進行可靠性分析可以更加精確的評價機械零部件的狀態，在設計階段對其進行可靠性評價，若可靠度較低，可以在制造物理樣機之前，在軟件環境下進行優化設計，得到最優的模型結構，可以節省研發成本，縮短設計周期。典型的應力分布h(s)和強度分布f(S)構成的應力-強度干涉關系示意圖如圖1所示。

可以得到強度大于應力的概率的可靠度計算公式為：

(1)

一般認為應力和強度服從正態分布規律，可靠度計算公式可轉化為：

(2)

2 燃氣電磁閥三維建模及有限元分析

Ansys workbench雖然具備三維建模的模塊，但是其操作復雜，且在曲線繪制和曲面建模的功能上功效效率較低，所以本文采用UG進行建模，通過格式導入的方式導入到Ansys workbench中，這樣可以發揮各個軟件的優勢，提高工作效率。通過Ansys workbench的geometry幾何模塊和static structural靜力分析模塊進行導入模型和有限元分析，得到可視化的燃氣電磁閥有限元分析結果。

2.1 燃氣電磁閥有限元網格劃分

有限元網格劃分是有限元分析的基礎，建立合適的有限元網格模型一方面可以得到高質量的網格單元，另一方面可以節省計算機資源，提高分析效率。本文在綜合考慮各種因素的基礎之上，選取網格大小(Element Size)為5 mm，選取自適應網格，得到燃氣電磁閥有限元網格模型如圖2所示，其中包括96 403個單元(Elements)和166 207個節點(Nodes)。

2.2 電磁閥有限元分析結果

有限分析中，約束和加載對分析結果有著重要的影響，電磁閥通過螺栓組進行固定，多以在此處設置固定約束，在電磁閥的內表面加載大小為0.6 MPa的壓力，對其進行求解，獲得等效應力和變形云圖如圖3～圖4所示。

由圖3～圖4的分析云圖結果可知，其等效應力最大值為65.797 MPa，位于燃氣電磁閥的內腔處；最大的變形量為0.110 92 mm，位于燃氣電磁閥的外閥體處。通過公式(1)～(2)得到燃氣電磁閥的可靠度為0.942。發現其等效應力位置和變形最大位置出現應力集中現象，需要對該關鍵位置進行結構優化，提高其可靠度[5-6]。

3 燃氣電磁閥結構優化

3.1 電磁閥設計變量的選取

基于電磁閥有限元分析結果，可以得到電磁閥的薄弱位置，共有2處，分別為等效應力集中處和變形較大處，如圖5所示。影響該處可靠度的主要因素為尺寸參數[7]，所以定義設計變量為倒圓角R1和倒圓角R2。

3.2 基于Matlab的電磁閥優化設計

在進行優化設計時，需要對不同的設計變量值進行仿真分析，可以得到不同設計變量對應的等效應力集中處和變形量，建立不同的倒圓角R1和倒圓角R2數值，綜合選取Polynomial(多項式算法)，該算法能更好的精確計算此次優化設計的結果，得到不同倒圓角R1對應的等效應力和變形量如圖6所示，不同倒圓角R2對應的等效應力和變形量如圖7所示。

由圖6～圖7可知，在倒圓角R1為數值4.0 mm時，倒圓角R2為數值4.8 mm時，等效應力和變形量為最低，綜合考慮設計和制造因素，進行圓整，選取倒圓角R1為4.0 mm，倒圓角R2為5.0 mm為設計變量最優值。重新建立電磁閥的有限元模型，對其進行分析和加載，可得到優化后電磁閥等效應力云圖和變形云圖如圖8～圖9所示。

由圖8～圖9可知，優化后電磁閥等效應力最大值由65.797 MPa降低到為13.575 MPa，最大的變形量為由0.110 92 mm降低到為0.004 332 6 mm，可靠度由0.942提高到0.995，優化后的電磁閥整體性能得到提高。

4 結論

本文建立了DN80燃氣電磁閥的有限元模型，對其進行劃分網格、添加約束和加載等操作，得到了其等效應力和變形云圖，基于有限元分析結果，對其進行結構優化，得到的結論如下：

1)利用ansys workbench對燃氣電磁閥進行有限元分析，發現其等效應力和變形最大位置分別為65.797 MPa和0.110 92 mm，可靠度為0.942需要對該應力集中位置進行結構優化，提高其可靠度。

2)基于有限元分析結果和可靠度計算結果，對燃氣電磁閥的應力集中位置進行結構優化，分別添加倒圓角R1和倒圓角R2，再次對其進行有限元分析發現，等效應力由65.797 MPa降低為13.575 MPa，最大的變形量為由0.110 92 mm降低為0.004 332 6 mm，可靠度由0.942提高到0.995，優化后的電磁閥整體性能得到提高。