真空管熱水器發(fā)泡工藝內(nèi)膽的靜應力分析

王磊,蘇士強,牛紹全

（山東力諾瑞特新能源有限公司,濟南 250103）

真空管熱水器發(fā)泡工藝內(nèi)膽的靜應力分析

王磊,蘇士強,牛紹全

（山東力諾瑞特新能源有限公司,濟南 250103）

針對SUS304不銹鋼內(nèi)膽發(fā)泡過程中受力情況，使用彈塑性力學理論和有限元相結(jié)合的辦法，分析了內(nèi)膽發(fā)泡過程內(nèi)充壓力的必要性，同時針對24支真空管熱水器內(nèi)膽，對不同數(shù)量肋筋的內(nèi)膽進行了靜應力分析，結(jié)果表明：肋筋為12根、間距為164 mm的內(nèi)膽位移和應力都相對較??；有限元計算結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合，能夠有效改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。

SUS304不銹鋼內(nèi)膽；內(nèi)充壓力；肋筋；靜應力分析；應力

0 引言

太陽能熱水器已經(jīng)發(fā)展多年，不僅滿足了當前國內(nèi)的市場，還出口到國外諸多國家。太陽能資源區(qū)內(nèi)太陽能熱水器（按75%加權(quán)使用率計算）年平均可替代標煤為150 kg/m2，相當于417 kW·h電[1]。太陽能熱利用是節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)，符合國家節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略。

家用真空管太陽能熱水器由水箱、真空管和支架組成，而水箱由外皮、內(nèi)膽以及發(fā)泡等結(jié)構(gòu)組成。當前市場上的熱水器，很多并沒有對內(nèi)膽起筋，即使個別廠商對內(nèi)膽起筋也沒有規(guī)范可循，起筋數(shù)量以及間距沒有明確要求，這極大影響了內(nèi)膽的抗壓能力。內(nèi)膽不但會在聚氨酯發(fā)泡過程中被壓變形，還會在客戶后期使用中，由于排氣不暢被抽癟。文中將利用三維軟件對24支管子熱水器內(nèi)膽進行建模，模擬發(fā)泡過程中聚氨酯發(fā)泡料對內(nèi)膽的擠壓變形，分析其起筋數(shù)量以及間距對內(nèi)膽抗壓能力的影響。

1 內(nèi)膽結(jié)構(gòu)

家用真空管太陽能熱水器內(nèi)膽結(jié)構(gòu)為中心對稱旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，材料為0.4 mm厚SUS304不銹鋼鋼板。鋼板在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床沖孔后，采用自動氬弧焊焊接直縫形成內(nèi)膽。因為屬于薄壁結(jié)構(gòu)形式，需要通過內(nèi)部肋筋對結(jié)構(gòu)進行加強[2]。利用起筋機沿圓筒殼板內(nèi)壁均勻分布9條肋筋，最后環(huán)焊左右內(nèi)端蓋。內(nèi)膽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)泡過程前，將內(nèi)膽放進相應的外桶內(nèi)，使外桶的塑料內(nèi)托正好卡在內(nèi)膽的兩個內(nèi)端蓋之間，并且用M6×16的螺栓將內(nèi)托連接板和塑料內(nèi)托連接起來，將內(nèi)膽和外桶連接。然后將內(nèi)膽和外桶按定位放入模具內(nèi)，在所有的真空管口和排氣口固定好工裝塞。最后利用發(fā)泡槍將混好的聚氨酯發(fā)泡料注入內(nèi)外桶腔體之間。發(fā)泡對內(nèi)壁的最大壓力為0.08 MPa，發(fā)泡前需要給內(nèi)膽充氣0.05 MPa，避免發(fā)泡過程中內(nèi)膽出現(xiàn)變形，如圖2所示。

圖1 內(nèi)膽結(jié)構(gòu)

圖2 內(nèi)膽出現(xiàn)變形

2 有限元建模

有限元建模過程中，需要根據(jù)主要的分析點對模型進行合理的簡化[3-4]。本文將模擬發(fā)泡過程中內(nèi)膽的約束和受力情況，利用三維軟件建立圓柱殼力學模型。為了更真實地反映實際工況，采用鈑金薄板沖孔后，壓凹起筋，最后卷曲成型，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。在Simulation環(huán)境中，將薄壁內(nèi)膽兩端面固定，在中間圓桶面施加均布載荷，然后進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

3 模擬計算以及分析

圖3 圓柱殼力學模型

圖4 網(wǎng)格劃分

均布力載荷方式下，薄壁圓筒類零件會產(chǎn)生彈塑性變形。與軸類零件和厚壁圓柱筒形零件變形不同，薄壁圓筒類零件徑向的變形較大，影響著產(chǎn)品質(zhì)量[5]。根據(jù)薄壁圓筒類零件幾何特性，可以建立圓柱殼力學模型[6]。當薄壁圓桶的壁厚δ＜D/20，可以作為二向應力狀態(tài)分析[7]。文中分別采用解析方法和數(shù)值解方法對比分析薄壁內(nèi)膽受力，最后利用有限元分析法對不同肋筋的薄壁內(nèi)膽，受徑向均布載荷變形的問題進行了研究。

3.1 理論計算

本文只是分析徑向力對桶身的影響，所以圓桶橫截面上的應力σ′可以假設(shè)為零[8]。從圓桶截取一部分，應力狀態(tài)如圖5所示。

圖5 應力狀態(tài)

若在桶壁的縱向截面應力為σ″，則內(nèi)力為在這一部分圓桶內(nèi)壁的微分面積，壓力為pl·它在Y方向上的投影為。通過積分求出上述投影的總和為

積分結(jié)果表明，截出部分在縱向平面上的投影面積lD與p的乘積，就等于內(nèi)壓力的合力。由平衡方程∑Fy=0，得

在內(nèi)膽發(fā)泡過程中，如果考慮內(nèi)部充壓，聚氨酯發(fā)泡對內(nèi)膽的壓力p為0.03 MPa，內(nèi)膽外直徑D為360 mm，內(nèi)膽厚度δ為0.4 mm，則

3.2 有限元分析

為了驗證理論計算的正確性，我們模擬了內(nèi)膽受力過程。為了顯示更清楚，我們將變形比例調(diào)整為20倍。如應力分布云圖6所示，最大應力為13 MPa，與理論結(jié)果基本吻合，證明模型建立和約束加載方式的正確性。

圖6 應力分布云圖

3.2.1 有無內(nèi)充壓力對比分析

內(nèi)膽起筋后模型相對復雜，利用現(xiàn)有柱殼理論，如無矩理論、有矩理論及半無矩理論等，難以求出此類問題的解析解，即使求解出解析解，因解析解的復雜性，不做簡化處理也難以在實際工程上具體應用；但是如果對解析解作不恰當簡化，產(chǎn)生的誤差將偏離實際結(jié)果[6]。

圖7 有內(nèi)充氣壓

圖8 無內(nèi)充氣壓

因此本文采用有限元方法求出數(shù)值解解決上述矛盾。在聚氨酯發(fā)泡過程中，需要對內(nèi)膽充壓0.05 MPa，防止內(nèi)膽抽癟。為了驗證這一理論。我們進行了模擬分析。不同工況均布載荷狀態(tài)：有內(nèi)充氣壓狀態(tài)外部壓力為0.03 MPa，無內(nèi)充氣壓狀態(tài)外部壓力為0.08 MPa。分析結(jié)果如圖8所示，沒有內(nèi)充氣壓，內(nèi)膽在發(fā)泡過程中受力會達到屈服極限，產(chǎn)生不可恢復的變形，而如圖7，有內(nèi)充氣壓的內(nèi)膽最大應力為84.54 MPa，安全系數(shù)=206.8/84.54≈2.57，完全滿足強度的需要[7]，說明在發(fā)泡過程中內(nèi)充壓力的必要性。

3.2.2 起筋數(shù)量及間距對強度影響

內(nèi)膽起筋會增強內(nèi)膽的抗壓強度，但是尚沒有文獻針對熱水器內(nèi)膽肋筋的間距和數(shù)量對強度的影響進行過系統(tǒng)分析。文中利用24支管內(nèi)膽，對不同數(shù)量、間距的起筋內(nèi)膽進行有限元分析。內(nèi)膽長度1948 mm，我們在1800 mm范圍內(nèi)，對不同的肋筋數(shù)量盡可能均勻分布，如表1所示。

具體分析結(jié)果如圖9所示。能夠看出，肋筋的分布對內(nèi)膽的應力和位移有一定的影響，在肋筋為12根、間距為164 mm的時候位移和應力都相對較小，因此24支管熱水器內(nèi)膽起筋數(shù)量應為12根，內(nèi)膽間距為164 mm。

表1 肋筋數(shù)量與肋筋間距關(guān)系 mm

4 結(jié)論

文中為了研究內(nèi)膽發(fā)泡過程受力情況，使用彈塑性力學理論和有限元相結(jié)合的辦法，分析了24支真空管熱水器內(nèi)膽發(fā)泡過程內(nèi)充壓力的必要性，同時分析了不同數(shù)量肋筋對內(nèi)膽強度的影響。結(jié)果表明：肋筋為12根、間距為164 mm的內(nèi)膽位移和應力都相對較小。有限元計算結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合，可以有效改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低了零件設(shè)計風險，從而達到降低企業(yè)成本、節(jié)省資源的目的，并為該類產(chǎn)品開發(fā)提供借鑒。

圖9 24支真空管熱水器內(nèi)膽發(fā)泡受力分析

[1] 霍志臣,羅振濤.中國太陽能熱利用年度發(fā)展研究報告[C]//2011中國太陽能熱利用行業(yè)年會暨高峰論壇論文集.2011.

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[3] 賈銳,石秀華,徐宇明,等.基于ANSYS的圓柱薄殼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J].彈箭與制導學報,2008,28(6):314-316.

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Static Stress Analysis of Tank in the Foaming Process of Vacuum Tube Water Heater

WANG Lei,SU Shiqiang,NIU Shaoquan
（Shandong LinuoParadigma Co.,Ltd.,Ji′nan 250103,China）

According to the stress in the foaming process of SUS304 stainless steel tank,the necessity of filling pressure in the foaming process of tank is analyzed by combining elasto-plastic mechanics theory and finite element method.Taking the 24 vacuum tube water heater tank as an example,the static stress analysis of tank with different rib is carried out.The results show that the results show that displacement and stress of tank that the rib is twelve and spacing is 164 mm are relatively small.The finite element calculation results are in good agreement with the theoretical results,which can improve the product structure and shorten the product design cycle.

SUS304 stainless steel tank;internal pressure;rib;static stress analysis;stress

TG 372

A

1002－2333（2018）01－0140－03

（編輯昊 天）

王磊（1987—），男，碩士，助理工程師，研究方向為新能源。

2017-04-07