【正文】 產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和科技的進(jìn)步 , 對(duì)隔爆型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量要求越來(lái)越高 , 產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來(lái)越快 , 這就要求設(shè)計(jì)人員掌握更加 科學(xué)的工程設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具 , 以適應(yīng)新的設(shè)計(jì)要求。在此提出 Simulation 軟件對(duì)矩形類隔爆箱體強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析 , 優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的變頻柜就不錯(cuò)，上海凱威電氣設(shè)備有限公司，北京宇恒恒業(yè)電氣自動(dòng)控制有限公司。 南陽(yáng)凱達(dá)防爆電機(jī)電器有限公司位于我國(guó)防爆電氣技術(shù)科研生產(chǎn)基地 河南南陽(yáng)，專業(yè)從事防爆電機(jī)、防爆電器科研、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。公司依托南陽(yáng)防爆行業(yè)的資源優(yōu)勢(shì)，集全國(guó)知名防爆電機(jī)電氣專家技術(shù)實(shí)力于一身，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各種防爆電機(jī)、防爆電 器、防爆儀表、防爆電氣控制柜及其他防爆電氣設(shè)備，同時(shí)承接各類防爆電器設(shè)備及成套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和橫向技術(shù)合作。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 1 章 有限元簡(jiǎn)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(jì)九十年代 )三個(gè)階段。有限元法是受內(nèi)外動(dòng)力的綜合作用而產(chǎn)生的。 1943年，柯朗發(fā)表的數(shù)學(xué)論文《平衡和振動(dòng)問(wèn)題的變分解法》和阿格瑞斯在工程學(xué)中取得的重大突破標(biāo)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(dá)形式，開(kāi)始了對(duì)單元?jiǎng)澐?、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(gè)名稱，標(biāo)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(jì)九十年代 )的發(fā)展有國(guó)外和國(guó)內(nèi)兩條線索。在國(guó)外的發(fā)展表現(xiàn)為 : 第一，建立了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)和工程學(xué)基礎(chǔ) 。第二，應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了結(jié)構(gòu)力學(xué)以外的領(lǐng)域 。第三，收斂性得到了進(jìn)一步研究，形成了系統(tǒng)的誤差估計(jì)理論 。第四，發(fā)展起了相應(yīng)的商業(yè)軟件包。 在國(guó)內(nèi)，我國(guó)數(shù)學(xué)家馮康在特定的環(huán)境中獨(dú)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(biāo)志著有限元法在我國(guó)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(dá)式，獨(dú)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(dāng)時(shí)的條件下獨(dú)立提出有限元法已十分不易。對(duì)于他的這項(xiàng)成就，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人都有很高的評(píng)價(jià)。 有限元法的基本思路 有限元法的基本思路是將計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元 ,在每個(gè)單元內(nèi) ,選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn) ,將微分 方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)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(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu) [1]力學(xué) ,后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展逐漸用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。在有限元方法中 ,將計(jì)算域離散剖分為有限個(gè)互不重疊且相互連接的單元 ,在每個(gè)單元內(nèi)選擇基函數(shù) ,用單元基函數(shù)的線形組合來(lái)逼近單元中的真解 ,整個(gè)計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看作是由每個(gè)單元基函數(shù)組成的，則整個(gè)計(jì)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(chǔ) （ 1）模型的選取力學(xué) 平面問(wèn)題，平面應(yīng)變問(wèn)題，平面應(yīng)力問(wèn)題，軸對(duì)稱問(wèn)題，空間問(wèn)題，板，梁，桿或組合體等，對(duì)稱或反對(duì)稱等。 例如 圖 ： 圖 力學(xué)模型 圖 1/4 模型 由于是對(duì)稱模型，所以只需要選取其 1/4 模型進(jìn)行分析（圖 ）。對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取一部分分析，可以減少數(shù)據(jù)的計(jì)算量，節(jié)約時(shí)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(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 根據(jù)題目的要求，可選擇適當(dāng)?shù)膯卧呀Y(jié)構(gòu)離散化。對(duì)于平面問(wèn)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(diǎn)的位移通過(guò)插值來(lái)獲得單元內(nèi)各點(diǎn)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(xiàng)式，一般來(lái)說(shuō)，單元位移多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)應(yīng)與單元的自由度數(shù)相等。它的階數(shù)至少包含常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)。至于高次項(xiàng)要選取多少項(xiàng)，則應(yīng)視單元的類型而定。 （ 4）單元的力學(xué)特性分析 把（ 11）式代入幾何方程可推導(dǎo)出用單元結(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)變表達(dá)式： 式中： ? ? ? ?? ?eNf ????e? —— 單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣； ??f —— 單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移列陣； ? ? ? ?? ?eB ?? ???? —— 單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)變列陣； ? ?N —— 單元的形函數(shù)矩陣 ,(它的元素是任一點(diǎn)位置坐標(biāo)的函數(shù)） 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 再把（ 1－２）式代入物 理方程，可導(dǎo)出用單元結(jié)點(diǎn)位移列陣表示的單元應(yīng)力表達(dá)式： 式中： 最后利用彈性體的虛功方程建立單元結(jié)點(diǎn)力陣與結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)位移。 （ 7）由單元的結(jié)點(diǎn)位移 列陣計(jì)算單元應(yīng)力 解出整體結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位移列陣 后，再根據(jù)單元結(jié)點(diǎn)的編號(hào)找出對(duì)應(yīng)于單元的位移列陣，將代入（ 13）式就可求出各單元的應(yīng)力分量值。 （ 8）計(jì)算結(jié)果輸出 求解出整體結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力后，可有選擇地整理輸出某些關(guān)鍵點(diǎn)的位移值和應(yīng)力值，特別要輸出結(jié)構(gòu)的 變形圖、應(yīng)力圖、應(yīng)變圖、結(jié)構(gòu)仿真變形過(guò)程動(dòng)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(gè)步驟：前處理，求解，后處理。 前處理包括產(chǎn)生一個(gè)有限元模型的幾何體的全過(guò)程，輸入物理特性，描 述邊界? ? ? ?? ?? ?eBD ?? ???? —— 單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)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(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 條件和載荷，以及檢查模型。 求解過(guò)程在模型求解模塊中進(jìn)行，或在一個(gè)外部有限元分析程序中進(jìn)行。求解能夠解答線性和非線性的，靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)的，屈曲，熱傳導(dǎo)和勢(shì)位能分析問(wèn)題。至于其它類型的分析，有限元模型信息 對(duì)于一個(gè)外部有限元求解問(wèn)題可寫成所要求的格式。 后處量包括標(biāo)繪出偏移和應(yīng)力，利用失效準(zhǔn)則，諸如允許的最大偏移，材質(zhì)的靜態(tài)和疲勞強(qiáng)度等等來(lái)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(yàn)。所有我們需要看到的只是一個(gè)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(lái)判斷為什么零件失效和怎樣去改進(jìn)設(shè)計(jì)。 在你的模型中，可能有許多錯(cuò)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(zhǔn)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(shí)不可能發(fā)覺(jué)的錯(cuò)誤。你必須進(jìn)行的一個(gè)基本的檢查是用某些人工的計(jì)算法使你確信在譬如在輸入材料性質(zhì)時(shí)，小數(shù)點(diǎn)的位置不會(huì)發(fā)生任何顯著的錯(cuò)誤，也建議你在觀察應(yīng)力前標(biāo)繪出位移，因?yàn)槲灰仆ǔ１葢?yīng)力更為直觀。 采用有限元法進(jìn)行工程分析的一般流程如圖 所示： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(shì) 隨著有限元技術(shù)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大 ,其發(fā)展呈現(xiàn)如下特點(diǎn) : （ 1）單一場(chǎng)計(jì)算向多物理耦合場(chǎng)問(wèn)題的求解發(fā)展 有限元分析技術(shù)應(yīng)用在裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中 ,主要是求解線性的結(jié)構(gòu)問(wèn)題 ,但根據(jù)火電、風(fēng)電、核電等裝備產(chǎn)品的極端性、復(fù)雜性、多場(chǎng)性特點(diǎn) ,結(jié)構(gòu)非線性 ,流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng)問(wèn)題的應(yīng)用迫在眉睫 ,如汽輪機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)槳葉的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、流固耦合問(wèn)題 ,重型裝備產(chǎn)品熱加工過(guò)程的熱、結(jié)構(gòu)、電磁多場(chǎng)耦合的問(wèn)題。隨著有限元技術(shù)的深層次應(yīng)用 ,需要解決的工程問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜 ,耦合場(chǎng)的計(jì)算求解必定成為 有限元軟件開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向。 （ 2）由求解線性問(wèn)題發(fā)展到求解非線性問(wèn)題 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問(wèn)題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對(duì)塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問(wèn)題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問(wèn)題，還必須掌握一定的理論知識(shí)和求解技 巧，學(xué)習(xí)起來(lái)也較為困難。為此國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開(kāi)發(fā)非線性求解分析軟件，如 ADINA、 ABAQUS 等。它們的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器、豐富而實(shí)用的非線性材料庫(kù)， ADINA 還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與通用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的集成使用 ,即數(shù)據(jù)信息在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的無(wú)縫多向流通 ,實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中三維設(shè)計(jì)、有限元分析優(yōu)化、數(shù)控加工等過(guò)程的快速響應(yīng) ,滿足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問(wèn)題的要求 ,提高設(shè)計(jì)水 平和效率。 (4) 提高自動(dòng)化的網(wǎng)格處理能力 應(yīng)用有限元技術(shù)求解問(wèn)題過(guò)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(jì)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(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中 ,尤其是專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜產(chǎn)品的分析中還存在問(wèn)題 ,如網(wǎng)格劃分的自動(dòng)化、網(wǎng)格質(zhì)量檢查的標(biāo)準(zhǔn)化。要想擺脫裝備產(chǎn)品分析中繁重的網(wǎng)格處理任務(wù) ,就必須突破自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的技術(shù)瓶頸 ,實(shí)現(xiàn)可循環(huán)的網(wǎng)格自動(dòng)優(yōu)化功能。 (5) 軟件面向?qū)I(yè)用戶的開(kāi)放性 有限元軟件應(yīng)用的技術(shù) 領(lǐng)域多 ,用戶需求各不相同 ,因此開(kāi)放的軟件環(huán)境對(duì)用戶而言至關(guān)重要 ,用戶可根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā) ,實(shí)現(xiàn)單元屬性、材料參數(shù)、復(fù)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(kāi)發(fā)。 (6) 軟件開(kāi)發(fā)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合 根據(jù)有限元軟件在裝備行業(yè)的應(yīng)用情況 ,有限元軟件之間的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合必將更加有效推進(jìn)有限元技術(shù)的應(yīng)用 ,隨著數(shù)值模擬軟件的商業(yè)化和軟件公司開(kāi)發(fā)方向的專中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 業(yè)化 ,各數(shù)值模擬軟件公司將會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的局面 ,以解決復(fù)雜裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造難題。 第 2 章 防爆技術(shù)的應(yīng)用與意義 隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，特別是 石化、冶金、煤礦工業(yè)的發(fā)展。對(duì)隔爆型電柜的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的要求越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)國(guó)外的企業(yè)政府對(duì)此都非常重視，因?yàn)樗婕暗搅斯と说纳踩?，一旦發(fā)生爆炸，后果不堪設(shè)想。同時(shí)，由于隔爆技術(shù)的廣泛應(yīng)用，它的發(fā)展也得到了很大的提高。 隔爆型防爆電氣設(shè)備主要是通過(guò)隔爆外殼來(lái)達(dá)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(shè)備具有良好的隔爆和耐爆性能，被廣泛的應(yīng)用于煤礦井下等爆炸性環(huán)境場(chǎng)所。隔爆型電氣設(shè)備的標(biāo)志為‘ d’，為了實(shí)現(xiàn)隔 爆外殼耐爆和隔爆性能，對(duì)隔爆外殼的形狀、材質(zhì)、容積，結(jié)構(gòu)等均有特殊的要求。