【正文】 產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和科技的進步 , 對隔爆型產(chǎn)品的設計質(zhì)量要求越來越高 , 產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來越快 , 這就要求設計人員掌握更加 科學的工程設計方法和設計工具 , 以適應新的設計要求。在此提出 Simulation 軟件對矩形類隔爆箱體強度進行有限元分析 , 優(yōu)化設計方案。 目前，生產(chǎn)變頻柜的廠家有很多。例如：北京鼎盛恒巨自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的變頻柜就不錯，上海凱威電氣設備有限公司，北京宇恒恒業(yè)電氣自動控制有限公司。 南陽凱達防爆電機電器有限公司位于我國防爆電氣技術(shù)科研生產(chǎn)基地 河南南陽，專業(yè)從事防爆電機、防爆電器科研、開發(fā)和生產(chǎn)。公司依托南陽防爆行業(yè)的資源優(yōu)勢，集全國知名防爆電機電氣專家技術(shù)實力于一身，開發(fā)生產(chǎn)各種防爆電機、防爆電 器、防爆儀表、防爆電氣控制柜及其他防爆電氣設備，同時承接各類防爆電器設備及成套系統(tǒng)的設計開發(fā)和橫向技術(shù)合作。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 章 有限元簡介 有限元的發(fā)展歷程 有限元法的發(fā)展歷程可以分為提出 (1943)、發(fā)展 (1944 一 1960)和完善 (1961二十世紀九十年代 )三個階段。有限元法是受內(nèi)外動力的綜合作用而產(chǎn)生的。 1943年，柯朗發(fā)表的數(shù)學論文《平衡和振動問題的變分解法》和阿格瑞斯在工程學中取得的重大突破標志著有限元法的誕生。 有限元法早期 (1944 一 1960)發(fā)展階段中，得出了有限元法的原始代 數(shù)表達形式，開始了對單元劃分、單元類型選擇的研究，并且在解的收斂性研究上取得了很大突破。 1960 年，克勞夫第一次提出了“有限元法”這個名稱，標志著有限元法早期發(fā)展階段的結(jié)束。 有限元法完善階段 (1961一二十世紀九十年代 )的發(fā)展有國外和國內(nèi)兩條線索。在國外的發(fā)展表現(xiàn)為 : 第一，建立了嚴格的數(shù)學和工程學基礎 。第二，應用范圍擴展到了結(jié)構(gòu)力學以外的領域 。第三，收斂性得到了進一步研究，形成了系統(tǒng)的誤差估計理論 。第四，發(fā)展起了相應的商業(yè)軟件包。 在國內(nèi)，我國數(shù)學家馮康在特定的環(huán)境中獨立于西方提出了有限元法。 1965年 ，他發(fā)表論文《基于變分原理的差分格式》，標志著有限元法在我國的誕生。馮康的這篇文章不但提出了有限元法，而且初步發(fā)展了有限元法。他得出了有限元法在特定條件下的表達式，獨創(chuàng)了“馮氏大定理”并且初步證明了有限元法解的收斂性。雖然馮康創(chuàng)造的有限元法不成熟，但他能在當時的條件下獨立提出有限元法已十分不易。對于他的這項成就，國內(nèi)外專家學者和國家領導人都有很高的評價。 有限元法的基本思路 有限元法的基本思路是將計算域劃分為有限個互不重疊的單元 ,在每個單元內(nèi) ,選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點 ,將微分 方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式 ,借助于變分原理或加權(quán)余量法 ,將微分方程離散求解。采用不同的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)形式 ,便構(gòu)成不同的有限元方法。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 有限元方法最早應用于結(jié)構(gòu) [1]力學 ,后來隨著計算機的發(fā)展逐漸用于流體力學的數(shù)值模擬。在有限元方法中 ,將計算域離散剖分為有限個互不重疊且相互連接的單元 ,在每個單元內(nèi)選擇基函數(shù) ,用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解 ,整個計算域上總體的基函數(shù)可以看作是由每個單元基函數(shù)組成的，則整個計算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。 有限元法的理論基礎 （ 1）模型的選取力學 平面問題，平面應變問題，平面應力問題，軸對稱問題，空間問題，板，梁，桿或組合體等，對稱或反對稱等。 例如 圖 ： 圖 力學模型 圖 1/4 模型 由于是對稱模型，所以只需要選取其 1/4 模型進行分析（圖 ）。對于對稱結(jié)構(gòu)，選取一部分分析，可以減少數(shù)據(jù)的計算量，節(jié)約時間和電腦資源。 （ 2）單元的選取、結(jié)構(gòu)的離散化 x y ??中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 根據(jù)題目的要求，可選擇適當?shù)膯卧呀Y(jié)構(gòu)離散化。對于平面問題可用三角元，四邊 元等。 例如 圖 ： 圖 劃分單元 （ 3）選擇單元的位移模式 結(jié)構(gòu)離散化后，要用單元內(nèi)結(jié)點的位移通過插值來獲得單元內(nèi)各點的位移。在有限元法中，通常都是假定單元的位移模式是多項式，一般來說，單元位移多項式的項數(shù)應與單元的自由度數(shù)相等。它的階數(shù)至少包含常數(shù)項和一次項。至于高次項要選取多少項，則應視單元的類型而定。 （ 4）單元的力學特性分析 把（ 11）式代入幾何方程可推導出用單元結(jié)點位移表示的單元應變表達式： 式中： ? ? ? ?? ?eNf ????e? —— 單元的結(jié)點位移列陣； ??f —— 單元內(nèi)任一點的位移列陣； ? ? ? ?? ?eB ?? ???? —— 單元內(nèi)任一點應變列陣； ? ?N —— 單元的形函數(shù)矩陣 ,(它的元素是任一點位置坐標的函數(shù)） 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 再把（ 1－２）式代入物 理方程，可導出用單元結(jié)點位移列陣表示的單元應力表達式： 式中： 最后利用彈性體的虛功方程建立單元結(jié)點力陣與結(jié)點位移列陣之間的關(guān)系，即形成單元的剛度方程式： 式中： （ 5）建立整體結(jié)構(gòu)的剛度方程 用直接剛度法將單剛 [K]e組集成總綱 [K]e，并將 {R}e組集成總載荷列陣 {R}，形成總體結(jié)構(gòu)的剛度方程： （ 6）求解修改后的整體結(jié)構(gòu)剛度方程 考慮整體結(jié)構(gòu)的約束情況，修改整體剛度方程之后，（ 16）式就變成以結(jié)點位移為未知數(shù)的代數(shù)方程組。解此方程組可求出結(jié)點位移。 （ 7）由單元的結(jié)點位移 列陣計算單元應力 解出整體結(jié)構(gòu)的結(jié)點位移列陣 后，再根據(jù)單元結(jié)點的編號找出對應于單元的位移列陣，將代入（ 13）式就可求出各單元的應力分量值。 （ 8）計算結(jié)果輸出 求解出整體結(jié)構(gòu)的位移和應力后，可有選擇地整理輸出某些關(guān)鍵點的位移值和應力值，特別要輸出結(jié)構(gòu)的 變形圖、應力圖、應變圖、結(jié)構(gòu)仿真變形過程動畫圖及整體結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力圖等等。 有限元的解題步驟： 有限元分析包括三個步驟：前處理，求解，后處理。 前處理包括產(chǎn)生一個有限元模型的幾何體的全過程，輸入物理特性，描 述邊界? ? ? ?? ?? ?eBD ?? ???? —— 單元內(nèi)任一點的應力列陣； ? ?D —— 單元的彈性矩陣 ,(它與材料的特性有關(guān)） ? ? ? ? ? ?eee kR ??? ? ? ? ? ?? ?????vTe dx dy dzBDBk? ?? ? ? ?RK ??中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 條件和載荷，以及檢查模型。 求解過程在模型求解模塊中進行，或在一個外部有限元分析程序中進行。求解能夠解答線性和非線性的，靜態(tài)的，動態(tài)的，屈曲，熱傳導和勢位能分析問題。至于其它類型的分析，有限元模型信息 對于一個外部有限元求解問題可寫成所要求的格式。 后處量包括標繪出偏移和應力，利用失效準則，諸如允許的最大偏移，材質(zhì)的靜態(tài)和疲勞強度等等來比較這些結(jié)果，假如我們僅僅想知道零件是否能經(jīng)受住載荷試驗。所有我們需要看到的只是一個是或否的答案，這不是通常那種情況。我們喜歡有能力去看到不同形式顯示 的結(jié)果，這樣我們以判斷力來判斷為什么零件失效和怎樣去改進設計。 在你的模型中，可能有許多錯誤的根源，例如，有限元網(wǎng)格的粗糙，所用單元的類型，或材料性質(zhì)的不準確性。這就是為什么后期處理將包括檢查那些在建立模型時不可能發(fā)覺的錯誤。你必須進行的一個基本的檢查是用某些人工的計算法使你確信在譬如在輸入材料性質(zhì)時，小數(shù)點的位置不會發(fā)生任何顯著的錯誤，也建議你在觀察應力前標繪出位移，因為位移通常比應力更為直觀。 采用有限元法進行工程分析的一般流程如圖 所示： 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 圖 有限元法工程分析的一般流程 有限元的發(fā)展趨勢 隨著有限元技術(shù)應用的不斷擴大 ,其發(fā)展呈現(xiàn)如下特點 : （ 1）單一場計算向多物理耦合場問題的求解發(fā)展 有限元分析技術(shù)應用在裝備產(chǎn)品的設計制造中 ,主要是求解線性的結(jié)構(gòu)問題 ,但根據(jù)火電、風電、核電等裝備產(chǎn)品的極端性、復雜性、多場性特點 ,結(jié)構(gòu)非線性 ,流體動力學和耦合場問題的應用迫在眉睫 ,如汽輪機葉片、風機槳葉的流體動力學問題、流固耦合問題 ,重型裝備產(chǎn)品熱加工過程的熱、結(jié)構(gòu)、電磁多場耦合的問題。隨著有限元技術(shù)的深層次應用 ,需要解決的工程問題也越來越復雜 ,耦合場的計算求解必定成為 有限元軟件開發(fā)的發(fā)展方向。 （ 2）由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設計的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進行非線性分析求解，例如薄板成形就要求同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進行分析或需考慮材料的塑性、蠕變效應時則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學問題，還必須掌握一定的理論知識和求解技 巧，學習起來也較為困難。為此國外一些公司花費了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如 ADINA、 ABAQUS 等。它們的共同特點是具有高效的非線性求解器、豐富而實用的非線性材料庫， ADINA 還同時具有隱式和顯式兩種時間積分方法。 (3) 與 CAD/CAM 等軟件的集成 有限元分析軟件的一個發(fā)展趨勢是與通用計算機輔助工程軟件的集成使用 ,即數(shù)據(jù)信息在整個產(chǎn)品設計制造過程中的無縫多向流通 ,實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)中三維設計、有限元分析優(yōu)化、數(shù)控加工等過程的快速響應 ,滿足工程師快捷地解決復雜工程問題的要求 ,提高設計水 平和效率。 (4) 提高自動化的網(wǎng)格處理能力 應用有限元技術(shù)求解問題過程中 ,產(chǎn)品幾何模型離散后的有限元網(wǎng)格質(zhì)量直接影響著計算量的大小和分析結(jié)果的正確性。各軟件公司在網(wǎng)格處理方面的投入也在加大 ,劃分網(wǎng)格的效率和質(zhì)量都有所提高 ,但在實際工業(yè)生產(chǎn)中 ,尤其是專業(yè)領域復雜產(chǎn)品的分析中還存在問題 ,如網(wǎng)格劃分的自動化、網(wǎng)格質(zhì)量檢查的標準化。要想擺脫裝備產(chǎn)品分析中繁重的網(wǎng)格處理任務 ,就必須突破自動六面體網(wǎng)格功能的技術(shù)瓶頸 ,實現(xiàn)可循環(huán)的網(wǎng)格自動優(yōu)化功能。 (5) 軟件面向?qū)I(yè)用戶的開放性 有限元軟件應用的技術(shù) 領域多 ,用戶需求各不相同 ,因此開放的軟件環(huán)境對用戶而言至關(guān)重要 ,用戶可根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的特點對軟件進行二次開發(fā) ,實現(xiàn)單元屬性、材料參數(shù)、復雜邊界、疲勞壽命規(guī)律的自定義和產(chǎn)品專家系統(tǒng)的自開發(fā)。 (6) 軟件開發(fā)強強聯(lián)合 根據(jù)有限元軟件在裝備行業(yè)的應用情況 ,有限元軟件之間的強強聯(lián)合必將更加有效推進有限元技術(shù)的應用 ,隨著數(shù)值模擬軟件的商業(yè)化和軟件公司開發(fā)方向的專中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 業(yè)化 ,各數(shù)值模擬軟件公司將會出現(xiàn)強強聯(lián)合的局面 ,以解決復雜裝備產(chǎn)品的設計制造難題。 第 2 章 防爆技術(shù)的應用與意義 隨著我國工業(yè)的發(fā)展，特別是 石化、冶金、煤礦工業(yè)的發(fā)展。對隔爆型電柜的設計及制造技術(shù)的要求越來越高。國內(nèi)國外的企業(yè)政府對此都非常重視，因為它涉及到了工人的生命安全，一旦發(fā)生爆炸，后果不堪設想。同時，由于隔爆技術(shù)的廣泛應用，它的發(fā)展也得到了很大的提高。 隔爆型防爆電氣設備主要是通過隔爆外殼來達到防爆目的。隔爆外殼既要承受爆炸性氣體混合物所產(chǎn)生的壓力不被損壞，還要防止火焰沿隔爆外殼結(jié)合面?zhèn)鞑ブ林車ㄐ詺怏w環(huán)境。隔爆型電氣設備具有良好的隔爆和耐爆性能，被廣泛的應用于煤礦井下等爆炸性環(huán)境場所。隔爆型電氣設備的標志為‘ d’，為了實現(xiàn)隔 爆外殼耐爆和隔爆性能，對隔爆外殼的形狀、材質(zhì)、容積，結(jié)構(gòu)等均有特殊的要求。