基于ANSYS的密封腔體結構改進設計

王光越

(中國船舶集團有限公司第七一〇研究所,湖北 宜昌 443003)

0 引言

水下機器人是能夠在海洋環境下代替人進行某種作業的自動控制裝置。水下機器人包含導航系統、能源系統、推進系統及控制系統等[1]。水下電機是推進系統的重要組成部分。

耐水壓能力是水下設備工作的重要指標,隨著機器人下潛的深度越來越大,水下密封殼體的耐壓分析也越來越重要[2]。ANSYS是常用的有限元分析軟件,可以進行靜力學分析、瞬態動力學分析及流體分析等[3]。UG是常用的三維建模軟件,提供了強大的零件建模及裝配功能[4],生成的模型可導入到ANSYS進行分析。

1 故障機理

1.1 故障現象

本款電機使用水深300 m,設計耐壓能力3.6 MPa。銅端蓋附近的密封腔體結構簡圖如圖1所示。密封腔體左端出軸連接螺旋槳,右端與電機本體相連。銅端蓋外圓使用O形圈與安裝座密封,內圓使用O形圈與電機出軸密封,水進入到密封腔內直接作用在銅端蓋的A面上。

圖1 密封腔體模型

打壓時將電機裝配到位,整體放入到高壓釜內,加外水壓3.6 MPa進行外壓試驗后,拆開電機密封腔體發現電機出軸處的銅端蓋變形嚴重,邊緣4個固定螺釘發生彎曲斷裂,具體情況如圖2所示。

圖2 密封腔體實物變形圖

1.2 故障原因分析

從打壓之后的圖片可以看出,銅端蓋的外邊緣變形嚴重,部分螺釘發生彎曲,甚至斷裂,中心圓盤部位變形較小,因此,先對螺釘強度進行校核計算。銅端蓋的具體尺寸如圖3所示。

圖3 銅端蓋尺寸圖(單位:mm)

根據圖3分析,在3.6 MPa水壓的作用下,銅端蓋中心圓盤受力:

q=ps=3.6×π×(482-16.12)=23114.3 N

在進行螺釘強度校核計算時,先不考慮彎矩的作用。查機械設計手冊可知,M4螺釘螺紋的應力截面積As為8.78 mm2;固定螺釘一共有4個,則單個螺釘的拉應力為:

遠遠超過了螺釘的屈服極限210 MPa,也超出了螺釘的最大抗拉強度520 MPa,因此螺釘發生嚴重彎曲甚至斷裂。銅端蓋的承力面主要是與4個固定螺釘的接觸面,接觸面較小,同時由于螺釘的彎曲導致銅端蓋的外邊緣受力發生嚴重的塑性變形,使銅端蓋中心產生了較大的位移。

2 故障結構仿真分析

2.1 模型建立

考慮到UG建模的強大的能力,本文利用UG建立了電機密封腔體簡化的三維模型,密封腔體三維模型如圖4所示。

圖4 密封腔體三維模型 圖5 密封腔體網格模型

根據實驗結果分析,銅端蓋及安裝螺釘發生了明顯的塑性變形,這里采用非線性材料來進行靜強度分析。其中,密封腔體的銅端蓋為錫青銅,查機械設計手冊,材料屬性如下[5]。

1)材料:錫青銅QSn6.5-0.1;

2)抗拉強度:≥315 MPa;

3)密度:8.75 g/cm3;

4)屈服強度:170 MPa;

5)彈性模量:110 GPa;

6)泊松比:0.3。

密封腔體的其他材料選擇非線性不銹鋼材料,屈服強度為210 MPa。電機密封腔體的網格模型如圖5所示。

2.2 故障結構仿真

經靜力學仿真計算,并對計算結果后處理,得到電機密封端蓋結構的等效位移-應力云圖,具體分析結果如圖6-圖8所示。

圖6 密封腔體位移-應力云圖

2.3 故障結構仿真結果分析

從圖6可以看出,密封腔體發生明顯變形的部位在銅端蓋和固定螺釘上,銅端蓋的安裝座及中心軸在安全范圍以內。從圖7可以看出,銅端蓋最大應力為331.61 MPa,最大變形為0.83 mm,銅端蓋超出屈服極限(170 MPa)的位置很多,銅端蓋的中心及邊緣均產生較明顯的塑性變形,與實際打壓銅端蓋的變形情況一致。從圖8可以看出,螺釘最大應力為381.21 MPa,最大變形為0.49 mm,超過材料屈服極限(210 MPa),呈環狀分布,螺釘極有可能發生斷裂,與實際打壓試驗中螺釘發生彎曲斷裂相符合。

圖7 銅端蓋位移-應力云圖

圖8 螺釘位移-應力云圖

3 結構改進設計

3.1 改進結構分析

從仿真分析結果可知,在銅端蓋的中心和邊緣都產生了永久的塑性變形,說明銅端蓋的薄弱點主要分布在兩個部位:一是銅端蓋中心太薄,在外水壓作用下產生了較大的撓度;二是銅端蓋邊緣太薄,在水壓作用下直接發生了翹曲變形。另外從仿真結果分析可知,螺釘發生了永久性的塑性變形,說明4個螺釘受力太大,在彎矩和拉力的作用下發生了彎曲,甚至斷裂。

根據以上分析結果,主要從三方面進行改進設計:

1)增加銅端蓋中心板的厚度;

2)增加銅端蓋支撐邊緣的厚度;

3)增加銅端蓋邊緣固定螺釘的數量。

改進之后銅端蓋的二維尺寸圖如圖9所示。

圖9 改進后銅端蓋尺寸圖(單位:mm)

3.2 改進結構仿真

對改進之后的密封腔體重新進行靜力學仿真計算,并對計算結果后處理,得到電機密封腔體的等效位移-應力云圖,具體分析結果如圖10-圖12所示。

圖10 改進后密封腔體位移-應力云圖

圖11 改進后銅端蓋位移-應力云圖

圖12 改進后螺釘位移-應力云圖

3.3 改進結構仿真結果分析

從圖11中可以看出,銅端蓋最大位移0.24 mm,最大等效應力為316 MPa,超出材料屈服極限(170 MPa)區域很小,主要是應力集中區域,發生在銅蓋和螺釘的接觸位置。螺釘最大等效應力228 MPa,超出材料屈服極限(210 MPa)區域主要是應力集中區域,最大位移0.095 mm,滿足使用要求。

4 結論

1)描述了故障發生的現象,分析了故障發生的原因;

2)建立了故障結構電機密封腔體三維模型,進行了非線性靜力學分析,得到了電機密封腔體各部位的位移應力云圖,并對故障結構仿真結果進行了分析。

3)根據故障結構的仿真分析對電機密封銅端蓋進行了改進設計,并對改進之后的密封腔體進行了非線性靜力學分析,驗證了改進設計的可行性。