基于Hypermesh和Abaqus的壓力鍋扣合強(qiáng)度仿真分析

龔儉龍

（佛山市順德區(qū)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(qiáng)度仿真分析

龔儉龍

（佛山市順德區(qū)美的電熱電器制造有限公司， 廣東 佛山 528312）

本文以某型號(hào)壓力鍋為研究對(duì)象，利用Hypermesh和Abaqus仿真軟件對(duì)壓力鍋外鍋厚度分別為1.2mm和1.0mm的幾何模型進(jìn)行扣合強(qiáng)度仿真分析，結(jié)合實(shí)際水壓測(cè)試工況下的內(nèi)壓加載方式，得到壓力鍋在承受不同內(nèi)壓載荷下的受力變形情況，從而為電壓力鍋扣合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)和借鑒。

壓力鍋；外鍋；上蓋；扣合強(qiáng)度分析

電壓力鍋是一種用電加熱，并通過控溫、控壓產(chǎn)生一定壓力來實(shí)現(xiàn)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(nèi)鍋、加熱盤、膜片、限壓閥等部分組成，由于工作時(shí)鍋內(nèi)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(qiáng)度不足，則可能會(huì)發(fā)生“爆鍋”事故，造成生命和財(cái)產(chǎn)損失，因此其安全性備受關(guān)注。目前壓力鍋生產(chǎn)企業(yè)遵守的標(biāo)準(zhǔn)是《鋁壓力鍋安全與性能要求》,壓力鍋生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行壓力鍋設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)對(duì)壓力鍋的安全性作整體的分析和考慮，每款壓力鍋在開發(fā)過程中都需要經(jīng)過破壞壓力為420kPa的水壓性能測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如下圖1所示。隨著標(biāo)準(zhǔn)的重新修訂，目前新標(biāo)準(zhǔn)下的產(chǎn)品破壞壓力將可能修訂為300kPa，從而目前的壓力鍋產(chǎn)品承壓部件均有優(yōu)化空間，需提前對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究，以實(shí)現(xiàn)壓力鍋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和成本的優(yōu)化。

圖1 水壓測(cè)試工裝環(huán)境

本文以某型號(hào)壓力鍋為研究對(duì)象，利用Hypermesh和Abaqus仿真軟件對(duì)不同外鍋厚度的壓力鍋模型進(jìn)行扣合強(qiáng)度有限元分析，結(jié)合實(shí)際水壓測(cè)試工況下的內(nèi)壓加載方式，得到壓力鍋在承受不同內(nèi)壓載荷下的受力變形情況，從而為電壓力鍋承壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)和借鑒。

1 研究技術(shù)路線

本文對(duì)壓力鍋扣合強(qiáng)度性能的研究路線如下圖2所示，首先對(duì)壓力鍋密封承壓系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，可以得到影響壓力鍋扣合性能的關(guān)鍵部件是外鍋和上蓋。從而以壓力鍋外鍋和上蓋的扣合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行有限元仿真分析，從而得出關(guān)鍵扣合部件的應(yīng)力和變形情況。

圖2 研究技術(shù)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(shí)體模型，如圖3所示，它主要包括外鍋和上蓋兩個(gè)部件，它們之間是通過6個(gè)扣牙進(jìn)行扣合的。然后通過PRO/E與Hypermesh的直接接口將實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)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(gè)有限元模型共有237355個(gè)shell單元，單元類型為S4R。

表1 材料參數(shù)

表2 仿真結(jié)果

圖3 幾何模型

圖4 網(wǎng)格模型

2.2 材料參數(shù)

壓力鍋扣合部件中各個(gè)部件的材料參數(shù)見表1所示。

2.3 仿真結(jié)果

壓力鍋水壓測(cè)試時(shí)的內(nèi)壓加載是隨著時(shí)間變化的，整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試過程需要經(jīng)過五個(gè)壓力載荷階段的測(cè)試，這五個(gè)壓力載荷階段分別為正常工作壓力70MPa、防護(hù)壓力140MPa、泄壓壓力245MPa、破壞壓力300MPa和極限壓力420MPa。

本仿真針對(duì)外鍋和上蓋扣合的有限元模型，以實(shí)際水壓測(cè)試工況下的內(nèi)壓加載方式進(jìn)行加載，從而計(jì)算出外鍋厚度分別為1.2mm和1.0mm時(shí)的扣合強(qiáng)度仿真結(jié)果，兩組試驗(yàn)仿真結(jié)果如下表2所示。

從表2可以看出，隨著壓力鍋內(nèi)壓載荷逐漸增大，外鍋上的最大應(yīng)力值、最大位移量和最大應(yīng)變值都會(huì)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(qiáng)度性能也隨之減弱。

圖5 內(nèi)壓載荷-外鍋?zhàn)畲髴?yīng)力曲線

圖6 內(nèi)壓載荷-外鍋?zhàn)冃瘟壳€

從圖5～7可以看出，1.2mm厚的外鍋大致在420kPa工況下發(fā)生脫扣現(xiàn)象；1.0mm厚的外鍋在420kPa工況下，早已經(jīng)發(fā)生卡扣脫扣現(xiàn)象，且發(fā)生卡扣脫扣現(xiàn)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(yīng)變?yōu)?.038，最大等效應(yīng)力為237kPa，綜合考慮下存在一定量的優(yōu)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(yīng)變?yōu)?.065，最大等效應(yīng)力為254kPa，綜合考慮下發(fā)生卡扣脫扣風(fēng)險(xiǎn)不大，但需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。

圖7 內(nèi)壓載荷-外鍋?zhàn)畲髴?yīng)變曲線

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

圖8 水壓測(cè)試

圖9 最大承壓載荷

圖10 實(shí)驗(yàn)-扣牙脫扣

圖11 仿真-扣牙脫扣

表3 仿真結(jié)果

圖12 實(shí)驗(yàn)-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(hào)壓力鍋在特制的金屬籠中進(jìn)行水壓性能測(cè)試。其中1.2mm厚的外鍋在水壓性能測(cè)試時(shí)，大致在415kPa工況下發(fā)生脫扣，而仿真分析中發(fā)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?zhàn)钕让摽厶幎及l(fā)生在防呆處對(duì)面扣牙處，而仿真分析中最先發(fā)生脫扣也是在此處；從圖12和圖13可以看出，壓力鍋外鍋測(cè)試后的扣牙變形情況與仿真結(jié)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(yàn)證以上仿真分析結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

本文以壓力鍋的扣合部件為研究對(duì)象，應(yīng)用Hypermesh和Abaqus軟件對(duì)其水壓測(cè)試過程進(jìn)行了扣合強(qiáng)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(fā)生脫扣現(xiàn)象，這與實(shí)驗(yàn)水壓測(cè)試415kPa下發(fā)生脫扣現(xiàn)象基本吻合，從而可以驗(yàn)證以上仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。從1.0mm厚的外鍋的仿真結(jié)果看，在300kPa工況下，發(fā)生扣牙脫扣風(fēng)險(xiǎn)不大，這一研究成果從而為壓力鍋扣合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)和借鑒。

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