基于Solidworks的矿用隔爆箱的壳体优化设计.docx
《基于Solidworks的矿用隔爆箱的壳体优化设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Solidworks的矿用隔爆箱的壳体优化设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于Solidworks的矿用隔爆箱的壳体优化设计
2012届本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于Solidworks的矿用隔爆箱的壳体优化设计
学生姓名：
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
完成时间：
2012年5月10日
摘要
考虑到隔爆箱主要用于具有爆炸性危险气体（甲烷等混合物）的煤矿井下。
在根据经验法和类比法对矿用长方体隔爆箱壳体进行初步设计的基础上,运用2011版SolidWorks软件对箱体进行模型建造。
在利用SolidWorks本身自带的有限元分析插件对长方形的箱体在0.7MPa压力下的应力、位移、安全系数和变形的分布规律进行分析。
获得箱体的应力图、位移图、应变图、和安全系数,找到了箱体的应力最小薄弱区域和富强区域,在完全不影响使用性能的前提下并对强度富裕区域和薄弱区域进行结构的优化，以便达到降低箱体重量、减少材料用量和环保的目的。
关键词：
矿用隔爆箱，壳体设计，SolidWorks，有限元分析，壳体优化
Abstract
Inconsiderationofseparatetoexplodetheboxcoalminewellthatmainlyusedsforthedangerousair（methaneetc.mixture）thathastoexplodesextodescend.Ataccordingtotheexperiencemethodandthetypefoundationthatcomparesthemethodtothemineraltoseparatetoexplodeaboxofhullbodytocarryontheinitialdesignwiththecuboidup,makeuseof2011versionSolidWorkssoftwarestocarryonmodel'ssetuptoabody.BemakinguseoftheSolidWorksfromananalysisplug-inthattaketoabodyoftherectangularatThe0.7MPapressureunderofmoveinresponsetothedint,,safecoefficientwithtransformofdistributetheregulationtocarryontheanalysis.Acquireaboxofbodyinresponsetothedinttobeworth,movesthevalue,contingencyvalue,withsafecoefficient,findoutabodyofshouldtheminimumandweakdistrictandprosperousandpowerfuldistrictofthedint,Becompletelydoingnotinfluencethepremiseofusethefunctiontodescendandcarryonthestructuretothewealthydistrictandweakdistrictofthestrengthofexcellentturn,inordertoattaintoloweraboxofbody.
Keywords:
Themineralusestoseparatetoexplodethebox，Thehullbody，designSolidWorks，Ananalysis，Thehullbodyisexcellenttoturn
目录
1绪论1
1.1研究的背景及意义1
1.2煤矿防爆电气设备标准体系的分析1
1.3隔爆型电气设备的主要功能2
1.4隔爆箱的隔爆原理:
2
2SolidWorks软件3
2.1SolidWorks简介3
2.2Solidworks软-件特点4
2.3SolidWorks软件的主要功能体现在以下方面：
4
2.4有限元基础知识——发展史5
3矿用隔爆箱的设计及结构6
3.1 爆炸压力计算6
3.2箱体的设计过程7
3.2.1的模型建造7
3.2.2顶盖的设计11
3.2.3螺栓的设计11
3.2.4装配体图12
4隔爆箱的有线限元分析12
4.1壳体定义材料13
4.2壳体定义约束13
4.3壳体外部进行施加载荷13
4.4网格生成13
4.5运行13
5壳体结构优化15
5.1上围框与底板处进行优化15
5.2对壳体进行减重进行设计16
5.3对优化后的模型进行有限元分析16
6结论18
致谢20
参考文献21
1绪论
目前,用于煤矿井下爆炸性气体环境中的控制箱主要有本安型“i”、隔爆型“d和增安型“e”等几类防爆类型,其中应用较多的就是隔爆型控制箱。
隔爆型控制箱通常是由壳体、内部连接件、引入装置、箱盖，螺栓等组成,需要经常打开箱检测或者有观察器件的箱体还需要有专门箱门和透明件。
矿用隔爆型控制箱主要跟据国家标准GB3836.1—2000《爆炸性环境用电气设备第1部分，通用要求》以及GB3836.2—2000《爆炸性环境用电气设备第2部分，隔爆型d》设计与制造的。
本文主要对隔爆原理、隔爆控制箱的壳体进行设计和优化来进行介绍。
1.1研究的背景及意义
由于煤矿井下环境中可燃性可爆性气体、固体（煤尘）的存在,制约着煤矿井下的大部分电气设备必须具有良好的防爆性能。
防爆电气设备的安全性能的好坏与煤矿安全生产息息相关,跟据不完全的统计,我国煤矿大约有50%的瓦斯煤尘爆炸和70%的火灾事故都是由于电气设备引起。
我国自从1990年以来就开始对煤矿井下凡涉及安全的产品进行强制性的安全标志制度,矿用的防爆电气设备是生产中安全标志管理的重中之重。
煤矿安全监管监察机构把防爆电气设备也一直作为安全监察的重点。
通过安全管理标志和设备安全监察的实践来看,我国整体煤矿防爆电气设备的情况并不容乐观,显然，这种情况在很大程度上制约着我国煤矿安全保障水平的提高。
我从防爆电气标准体系，防爆电气设备壳体的设计，装配和优化等几个方面开展分析,根据分析结果提出针对性的意见建议,试图从防爆电气设备设计中的材料节约，为同类产品的生产提供借鉴，并且也达到了环保的理念。
1.2煤矿防爆电气设备标准体系的分析
我国煤矿防爆电气的设计主要根据防爆电气设备基础标GB3836—2000《爆炸性气体环境用电气设备》，相关产品的国家或行业的标准，《煤矿安全规程》等一系列的矿山安全有关规定。
在这些规定中GB3836标准体系是在采用IEC60079标准体系修改的基础上增加了我们国家煤炭行业多年以来认为很有效的一些特殊的安全要求,适用在Ⅰ类（煤矿用）电气设备和Ⅱ类（其它行业用）电气设备。
根据对防爆电气设备的设计、制造、使用和维护的现状来进行分析,目前在防爆电气设备标准体系上存在好多安全问题。
矿用型隔爆电气设备是电气设备中的一种防爆型式，它的外壳不但能够承受通过外壳的任何接合面或结构连接处的间隙渗透到外壳里面的可燃性混合物在箱体内部爆炸而不被破坏，而且也不会引起由外部一种、多种混合气体（甲烷、煤尘）或蒸汽等形成的爆炸性环境的点燃。
依据GB3836.2-2000的规定，矿用隔爆型电气设备用小写英文字母用“d”来表示。
1.3隔爆型电气设备的主要功能
将正常工作或故障状态下可能产生的电火花的部分放在一个或分放在几个外壳箱体中。
隔爆型电气设备的外壳不但具有隔爆性能，而且它还具有一定的结构强度，在各零件间的连接中还具有一定的结构尺寸。
从外部环境中进入壳内的爆炸性瓦斯等空气的混合物被壳内部的电火花、电弧引爆时，外壳不会被爆炸而破坏和不会使爆炸产物通过连接缝隙引爆环堵巾的爆炸性瓦斯等空气混合物。
GB3836.2对隔爆型电气设备的外壳、接合面、间隙、转轴、操作杆、压力重叠等一系列技术参数都做了详细的规定。
通过实践论证，按照上述的标准设计制造出的防爆电气设备完全满足实际生产中的要求，并且能防止由电气火花引发的爆炸事故。
1.4隔爆箱的隔爆原理:
将矿用电气产品的带电部件放在特制的隔爆箱的箱体内,该箱体具有将箱体内部由于一些电气部件产生的火花或电弧并与箱体外部周围的爆炸性气体粉尘等隔离开来或不足以引燃和引爆的作用,并且能承受通过箱体的任何接触面或间隙进入壳体内部的爆炸性介质被壳体内部电气设备引起的火花、电弧引起爆爆时所产生的爆炸压力,以便不使箱体被损坏;并且能同时能阻止箱体内部气体爆炸的生成物向箱体外的爆炸性介质传播。
隔爆型电气设备就是根据上述的原理来设计的。
隔爆型电气设备的外壳大部分都采用钢板焊接式结构或铸铁构成。
在隔爆型箱体的设计过程中,强度和刚度是其中主要考虑的因素。
过去,通常采用的是经验法和类比法对隔爆箱的箱体进行初步的设计,即依据已经通过的水压试验并获得经过认证的定型产品,在了解已有定型产品所采用的材料、板厚、法兰形式、外形形式等已知条件下进行比对、靠经验来设计,但设计中的依据并不够充分。
为此,本文以矿用隔爆箱结构作为例子,在采用经验和类比法的基础上对其进行初步设计,再用SolidWorks2011版软件对隔爆箱的箱体进行三维模型建造,利用SolidWorks软件本身自带的有限元分析插件来对箱体结构进行应力，位移，变形和安全系数来进行分析,并根据分析出的结果对箱体结构来进行优化设计,最终得出既符合强度、刚度又减少材料的使用和环保的具体要求的箱体具体结构尺寸。
2SolidWorks软件
2.1SolidWorks简介
目前，在我们国家的CAD市场上比较流行的三维CAD软件主要有SolidWorks、UG、Pro/E、SolidEdge、Cimarron等等。
但就价格来说，SolidWorks、SolidEdge是中低档价格的产品，而UG、Pro/E是高中档价格的产品。
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。
良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。
该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。
至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。
由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。
终于在1997年由法国达所公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。
公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。
并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。
由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。
资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。
据世界上著名的人才网站检索，与其它3DCAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。
据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。
在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯丹福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SolidWorks进行教学。
2.2Solidworks软-件特点
Solidworks软件功能强大，组件繁多。
Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。
SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。
SolidWorks资源是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。
使用SolidWorks用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。
美国著名咨询公司Daratech所评论：
“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。
”
在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
2.3SolidWorks软件的主要功能体现在以下方面：
（1）造型功能
SolidWorks提供了新一代的造型功能和参数化特征造型技术。
SolidWorks不仅提供丰富的基本特征，并且提供了用户自定义特征的功能。
SolidWorks支持强大
的三维参数化设计功能，可以方便地在设计的任何阶段修改零件。
（2）绘图功能
工程绘图系统Drawing主要用于三维模型的工程图纸的绘制与输出，可同时
编辑多张图纸。
当设计人员建立图纸文件时，可以将PART文件上的特征历史树
的总结点用鼠标点取移动到图纸文件上，图纸文件上自动生成三视图，绘制的
图纸上可以自动标注尺寸信息。
图纸与模型是相互关联的，当模型上的尺寸或
造型变化时，图纸也相应改变。
视图包括标准视图、投影视图、一般视图、局
部视图以及剖面视图，是零件或装配体在图纸上的某种形式的投影，在视图上
可以增加或删除符合国标的工程标注。
（3）装配功能
SolidWorks中装配的功能是由用户指定装配体中各零件之间的装配约束关
系，将零件装配成装配体。
装配系统不但可以将零件装配起来，也可以读入已
经装配好的装配体，作为子装配体进行装配；子装配体在装配过程中可以视为
一个整体，等效于一个零件。
SolidWorks可以模拟仿真装配的全过程。
（4）二次开发
虽然SolidWorks所提供的功能非常强大，但要使其在我国企业中真正发挥
作用，就必须对其进行本地化、专业化的二次开发工作。
为了方便用户进行二
次开发，SolidWorks提供了几百个API函数，这些API是SolidWorks的OLE或COM
接口。
用户可以使用高级语言对其进行二次开发，建立适合用户需要的、专用
的SolidWorks功能模块。
SolidWorks是一个非常开放的系统，提供了VB，VC+
+和其它支持OLE的开发语言接口；提供给用户必要的工具（宏语言、库函数
等）以开发个人化的应用模块，并且易于将它集成到系统中去。
用VB或VC++
调用SolidWorks的API函数，可以完成零件的建造、修改；零件各特征的建立、
修改、删除、压缩等各项控制；零件特征信息、装配信息和工程图纸中各项信
息的提取；还可以在SolidWorks主菜单上增加按钮，将自己开发的应用模块嵌
入到它的管理系统中。
2.4有限元基础知识——发展史
随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，及各类有限元软件的运用，有限元在工程设计和分析中得到了广泛应用，理论与算法也日趋完善，已经成为解决复杂的工程分析计算必不可少的工具。
有限元思想最早可以追溯到远古时代，在几个世纪前就得到了应用。
如用多边形（有个直线单元）逼近圆来求圆的周长。
而现代有限元方法思想的萌芽可追溯到18世纪末，欧拉在创立变分法与现代有限元相似的方法求解轴力杆的平衡问题，但那个时代缺乏强大的运算工具解决其计算量大的困难。
1941年A.Hrennikoff首次提出用构架方法求解弹性力学问题，当时称为离散元素法，仅限于杆系结构来构造离散模型。
1943年，纽约大学教授RichardCourant第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题。
50年代，美国波音公司首次采用三结点三角形单元，将矩阵位移法应用到平面问题上。
20世纪60年代初，克拉夫（Clough）教授首次提出“有限元”的概念。
有限元方法的理论和程序主要来自各个高校和实验室，早期有限元的主要贡献来自于Berkeley大学。
Berkeley的EdWilson发布了第一个程序，其他著名的研究成员有J.R.Hughes，RobertTayor,JuanSimo等人，第一代的程序没有名字，第二代线性程序就是著名的SAP（structuralanalysisprogram），非线性程序就是NONSAP。
有限元分析的步骤如下图1所示：
图1有限元分析步骤图
我国著名力学家，教育家徐芝纶院士（河海大学教授）首次将有限元法引入我国。
他于1974年编著出版了我国第一部关于有限元法的专著《弹性力学问题的有限单元法。
从此开创了我国有限元应用及发展的历史。
有限元发展至今，其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。
分析的对象已从分析和校核发展到优化设计并和CAD技术相结合。
目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。
纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势，其中最为重要的是与CAD软件的无缝集成。
COSMOS（SolidWorksSimulation）无疑走在了各CAE软件的前头，与SolidWorks真正意义上的无缝集成，极大的提高了产品的优越性与实用性。
同时它的易学易用性及对各类工程问题的处理也使它备受企业工程师的青睐。
3矿用隔爆箱的设计及结构
隔爆型控制箱体的设计主要是根据隔爆原理,设计出合理的隔爆面参数和箱体结构,使设计的隔爆型控制箱体既满足隔爆要求,以便在实际使用过程中达到设计效果,又起到隔爆的作用。
具体隔爆型控制箱体设计主要包括爆炸的瞬间压力、隔爆箱体最大应力值、位移值和安全系数。
在控制箱设计中,关键是壳体的强度设计以及隔爆面的结构设计。
3.1 爆炸压力计算
当可燃气体爆炸时,爆炸压力一般指产生气体生成物的最初瞬间的压力。
根据波义耳-马略特定律,爆炸后压力公式为
式中:
P—爆炸后的压力,单位为Pa
—爆炸前的压力,一般为1×105Pa（即一个大气压）。
t—爆炸后的温度,℃,在甲烷浓度为9.5%,
甲烷混合气体爆炸瞬间的温度。
在密闭空间可达2650℃,一般可达到1600-1700℃。
—爆炸前的温度,一般常温为15-17℃。
也就是说,一般情况下,隔爆控制箱体的爆炸压力为0.685-0.680MPa,在设计时,考虑要有一定的安全裕量,一般取0.7Mpa。
3.2箱体的设计过程
矿用隔爆箱是由箱盖、壳体、螺栓等组成。
3.2.1的模型建造
首先打开Solidworks软件，在前视基准面上建立草图1，然后画一个长为700mm宽为500mm的矩形，点击确定草图按钮，再点击特征工具栏里的拉伸按钮，根据经验选择拉伸长度为15mm。
建立图2如图所示：
图2壳体底板的初始化
在图形
（1）的基础上，选择上平面建立草图2，在草图2如下图3所示
图3草图2的建立
然后在草图2的基础上进行拉伸，选择拉伸长度为300mm，然后点击确定按钮。
在刚刚建立的拉伸图形上进行抽壳，选择壁厚为10mm，在多建立厚度设定下选择拉伸的下底面，厚度输入为15mm,点击确定，抽壳结果如图4所示：
图4箱体抽壳
在上图抽壳后的基础上建立草图3，然后在进行拉伸厚度为15mm，结果如图5所示：
图5草图3的建立
在图5的基础上在建立草图4，然后在进行拉伸切除，结果如图6所示：
图6拉伸切除
在图6模型建造的基础上进行法兰与围框和底板与围框进行倒圆角，实际上图中的圆角就是现实中壳体的焊缝。
选择圆角半径为2mm，如图7所示：
图7焊缝处倒角
对壳体箱框的周围的四个楞进行倒圆角，倒角半径为20mm，具体如图8所示：
图8围框四个楞倒圆角
在壳体的法兰面上通过草图6，在经过拉伸切除，线性阵列，镜像等等一系列的步骤建立最后壳体的模型图，在法兰上螺栓为M16，但实际生产中孔的直径要大2mm，所以法兰上螺栓孔的直径为18mm，地脚螺栓孔的直径为30mm,具体如下图9所示：
图9壳体模型图
3.2.2顶盖的设计
顶盖将来是要和壳体装配在一起的，所以它的尺寸必然要受到壳体法兰尺寸的制约，根据法兰尺寸设计出箱盖如图10所示:
图10箱盖模型图
3.2.3螺栓的设计
由于Solidworks2011版本身自带有标准零件设计库，直接从设计库中调出M16的螺栓和螺母，具体在装配图上显示。
3.2.4装配体图
根据壳体，箱盖和螺栓的设计，在Solidworks本身自带的装配体的功能下，来进行装配，装配结果如图11所示：
图11装配体的模型图
4隔爆箱的有线限元分析
运用Solidworks软件对矿用隔爆箱简化的三维模型建造完成后，为了突出壳体结构对分析的影响，忽略了焊接后的焊缝和焊接应力的影响，同样对壳体上各种类型的孔也做了类似的简化。
将整个壳体作为一个整体来特意突出壳体的强度，刚度和安全系数。
首先把有限元分析的快捷工具栏调出来，如下图12所示：
图12启动前的有限元分析工具栏
在模型建造的基础上，点击新算例变成如下图13所示：
图13启动后的有限元分析工具栏
4.1壳体定义材料
普通碳钢在生活中的使用的范围比较广，可是它也有它本身的局限性，对于矿用产品它的各方面的使用性能和工作环境要求比较高，因此我们在选用箱体材料时一定要慎用选择，在本文的设计中考虑到矿用隔爆箱的较高的强度，良好
升级会员 