摘要:为提高商用电热开水器的使用寿命,将开水器水箱壁的变形量作为优化对象,通过变动水箱壁加强筋的位置来获得水箱壁的最小变形量;用ANSYS Workbench建立有限元模型并施加载荷和边界条件,进行结果分析和结构优化;根据最高水位和最低水位情况下变形量的大小与加强筋位置的分析比较,确定加强筋的最佳位置. 结果表明经优化后,目标面(有加强筋的正面)的变形量降低29%.
关键词:开水器; 内胆; 有限元分析; 变形; 结构优化
中图分类号:TM925.32; TM925.02文献标志码:A
Optimization on inner liner structure of
commercial electric water boiler
XU Lei, LIU Peixing
(College of Materials Sci. & Eng., Qingdao Univ. of Sci. & Tech., Qingdao Shandong 266042, China)
Abstract: To improve the life of commercial electric water boiler, the deformation of the boiler water tank wall is taken as the optimization object, and the minimum deformation of the water tank wall is obtained by the location change of water tank wall stiffener; a finite element model is developed and applied with load and boundary conditions for the analysis and structural optimization using ANSYS Workbench; the optimal location of the stiffener is obtained by the comparison of the deformation and the stiffener location at the highest and lowest water levels. The results indicate that the deformation of the target wall (the face with stiffener) is reduced by 29% after optimization.
Key words: water boiler; inner liner; finite element analysis; deformation; structure optimization
收稿日期:2009-[KG*9〗11-[KG*9〗19修回日期:2010-[KG*9〗03-[KG*9〗14
作者简介: 徐磊(1975—),男,陕西西安人,副教授,博士,研究方向为材料数值模拟和粉末冶金加工,(E-mail)xulei@qust.edu.cn0引言
随着我国经济的快速发展,人们生活水平大幅度提高,但过快发展对环境造成巨大压力.节能环保成为目前工业和民用各个领域积极追求的目标,其中包括各大中小企事业单位,如学校、医院、写字楼的开水供应正在大批量更新换代成电热开水器,相对于传统的锅炉烧水具有安全零压力、噪声小、无污染的特点.为了提高其电热开水器产品的竞争力,某知名厂商委托作者对其生产的开水器内胆结构设计进行优化以提高其使用寿命.开水器内胆分为水箱和加强筋2大部分.由于静水压会导致水箱壁过度变形,影响其使用寿命,所以为提高水箱壁的刚度、减小其变形量,需在水箱两面外侧点焊上2个加强筋,同时还需要确定加强筋的位置(即加强筋中心位置距离水箱底面的距离),使得水箱在水位最低点和水位最高点时两侧面壁变形量都最小.
传统的设计方法是通过实验尝试或者简单选择中间位置,但不能达到最优化效果.基于有限元进行结构优化分析是1门新兴的计算机辅助工程技术.[1]随着计算机计算速度的提高,复杂结构所需要的大型计算门槛越来越低,PC机已经可以满足一般工程设计的需求.近几年,工程人员开始尝试使用该技术对工程和机械结构进行优化结构分析,所使用的有限元软件是发展30余年的ANSYS软件.吴振亭等[2]应用ANSYS对圆平膜片弹性特性进行分析与优化设计,使其性能指标进一步提高.王维保等[3]使用ANSYS模块FLUENT建立燃烧机构内部的流场模型并优选出合适的结构设计方案.秦东晨等[4]利用ANSYS的APDL完成六面顶压机的关键零件结构优化设计.王京波等[5]对液压机的上横梁应用ANSYS优化设计模块进行结构优化,降低机身的制造成本.王桂龙等[6]利用ANSYS构建模具传热分析模型,优化分析模具设计方案,并将其结果用于注塑生产.可见,在现代机械制造业的各个行业中,应用ANSYS进行结构优化正在层层深入,并且取得良好效果,但对于电热开水器这样的民用产品,使用ANSYS进行结构优化设计还未进行普及.
本文通过最新的ANSYS Workbench对水箱的内胆结构进行有限元分析,并利用该软件的优化计算功能[7]确定使水箱壁变形量最小的加强筋最佳位置,从而为内胆结构设计提供有效参考.
1开水器内胆的有限元模型
建立模型时基于以下假设:(1)水箱和加强筋的变形在线弹性范围内;(2)水箱与加强筋之间的点焊连接没有缺陷;(3)水箱上的其他构件如水龙头、进水口阀门等对水箱的外壁变形没有影响.
1.1开水器内胆模型参数
开水器内胆由水箱和加强筋构成:水箱的尺寸为500 mm长×150 mm宽×680 mm高,壁厚为
图 1加强筋截面尺寸示意图0.55 mm;上面开口;最高和最低水位距水箱底面和最低水位距分别为560 mm和90 mm;加强筋有2条,分别在正面及反面的相同高度位置,长度为500 mm,板厚1 mm,截面形状见图1.
用ANSYS Workbench 11.0中的设计模块建立内胆实体模型,见图2.因结构对称,只分析1/2结构即可.水箱与加强筋之间连接类型选择点焊,根据实际加工工艺,用16个焊点把每条加强筋焊到水箱图 2开水器内胆实体模型壁上,上下面各8个.水箱和加强筋实际所用的材料是304奥氏体不锈钢,所以选用软件材料库中的不锈钢材料属性:杨氏弹性模量E=1.93×105 MPa,泊松比ν= 0.31,屈服强度σ0.2=207 MPa.
1.2划分网格和设置加载参数
采用软件默认的网格划分;选择静态结构分析类型;水箱的开口处固定;在水箱内壁的最低水位处施加流体静力水压,受力面选择与水接触的5个面,重力加速度设置为竖直向下9.8 m/s2,流体的密度设置为1×103 kg/m3[8];求解结果为查看水箱各个外壁的最大变形量.然后,使用相同方法建立另一个静态结构分析,与前一个的区别是在水箱内壁的最高水位处施加静力水压载荷.
1.3求解并查看结果
图3为最低水位时水箱的总变形量,利用Probe可查看各个面的某一具体位置上的变形量;可以看到水箱的正面(即有加强筋的一面)变形量较大,底面和侧面的变形量较小.图4为最高水位时水箱的总变形量,同样可以看出水箱的正面(背面)变形量较大,底面和侧面的变形量较小,并且各个面的变形量都要比水位最低时大1～2个数量级.
图 3最低水位时水箱
总变形分布图图 4最高水位时水箱
总变形分布图
2结构优化
2.1确定输入输出参数
选择加强筋距底面的距离作为Input Parameters,以最低水位和最高水位时各个面的最大变形为Response Parameters(共6个).输入参数的上下限为最高水位和最低水位时加强筋的高度.点击Run,进行Process DOE Designs.
2.2查看Response
在Response Chars中分别查看各个输出参数随加强筋高度的变化.
表1列出最低水位时各个面变形量的变化范围,可见变形量都较小.表2为最高水位时各个面变形量的变化范围,可见变形量较大.
表 1最低水位时各个面变形量范围m正面侧面底面最大变形3.05×10-57.01×10-61.08×10-5最小变形1.36×10-53.18×10-65.83×10-6
表 2最高水位时各个面变形量范围m正面侧面底面最大变形2.49×10-36.97×10-43.15×10-4最小变形1.24×10-32.98×10-41.29×10-4
通过以上表格数据分析得出,最高水位有加强筋正面的可优化性最大,确定为优化目标,其响应图见图5.
图 5水箱正面变形量随加强筋位置的变化
2.3进行目标优化
生成1 000个样本,并设置最高水位时有加强筋一面的期望值为Minimum Possible;重要性为Higher;生成设计样本,选择最优化的设计样本Design Point.可以确定加强筋距离底面的距离为363.38 mm时,变形量最小.
将优化得到的该距离参数导入模拟实体模型中,通过参数管理模块Parameter Manager求解得到优化后的结果.
3有限元分析结果与讨论
优化前后的结果见图6.从图中可以看出:(1)在最低水位时,虽然优化后某些面的变形量有所增加,但是本身的变形量数量级非常小,此区别可忽略;(2)在最高水位时,除了底面的变形量略有增加,其他2个面的变形量都不同程度降低,尤其是优化目标面(有加强筋的正面)的变形量降低29%.
(a)优化前结果
(b)优化后结果
图 6优化前后水箱变形量对比
4结论
(1)基于适当假设对有加强筋的开水器内胆进行有限元建模、网格划分、加载和求解,得到水箱各个部位的应变分布规律.(2)通过水箱的最高和最低水位模拟结果数据进行目标优化,使水箱的变形量最小,得到加强筋的最佳位置,可使有加强筋正面的变形量降低29%.参考文献:
[1]叶勇, 朱若艳. 基于有限元分析的结构优化设计方法[J]. 机械, 2004, 31(11): 18-20.
[2]吴振亭, 王彦民. 圆平膜片弹性特性的分析及其优化设计[J]. 计算机辅助工程, 2009, 18(3): 51-54.
[3]王维保, 李东风, 林瑞中, 等. 燃烧机构内部流场的数值仿真和方案优选[J]. 计算机辅助工程, 2009, 18(4): 73-76.
[4]秦东晨, 梁颖, 陈立平, 等. 六面顶压机关键零部件的结构优化设计研究[J]. 中国机械工程, 2007, 18(6): 697-701.
[5]王京波, 汤文成. 液压机上横梁的结构优化[J]. 机械制造与自动化, 2009, 38(2): 8-11.
[6]王桂龙, 赵国群, 李辉平, 等. 变模温注塑热响应模拟与模具结构优化[J]. 机械工程学报, 2009, 45(6): 216-221.
[7]李兵, 何正嘉, 陈雪峰. ANSYS Workbench设计、 仿真与优化[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008: 96-103.
[8]休斯•W•F, 布赖顿•J•A. 流体动力学[M]. 北京: 科学出版社, 2002: 296-300.
(编辑廖粤新)