CN107784144A - 一种防爆壳体的加强筋结构以及设计方法 - Google Patents

一种防爆壳体的加强筋结构以及设计方法 Download PDF

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张昌勇
郑振晓
应军军
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    • G06F30/10—Geometric CAD
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Abstract

本发明公开了一种防爆壳体的加强筋结构，在所述防爆壳体的方形基板上设置有X形加强筋，所述X形加强筋具有四个加强叶，所述四个加强叶排列成X形。本发明克服现有结构的不足提供一种新型加强筋结构。特别适用于薄板壳结构，在航天航空、机械、汽车、建筑、防爆等行业被广泛应用；这种结构一般在基板(壳)上设计加强筋以提高结构的整体强度。

Description

一种防爆壳体的加强筋结构以及设计方法
技术领域
本发明涉及一种防爆壳体加强筋及其设计方法。
背景技术
加强筋在压力铸造部件上是不可或缺的功能部分。加强筋能有效地增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的压铸产品尤其适用。此外，加强筋更可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助液态金属流入部件的支节部分有很大的作用。薄板壳结构目前被广泛用于制造航空、航天及汽车零件，防爆壳体等。这些薄板壳结构基本为压铸件。由于压铸件的屈服强度较低，必须设置合理的加强筋提高壳体的强度和抗压能力。目前现有的壳体加强筋基本为纵横交错布局，致使加强筋两端与壳壁连接处受应力较为集中，壳体形变量较大，导致壳体断裂。图1为一种压铸壳体受内部压强的有限元分析结果；壳体材质为ADC12，此材质为例题壳体材质，加强筋的结构不受材质影响，由米塞斯图像可以看出最大应力为1.49e+009N.m2，集中于筋与壁的交接处，均大于ADC12的屈服强度，应力情况不符合要求。从图2中可以看出壳体的最大位移量为3.68mm。
发明内容
本发明目的是：提供一种防爆壳体的加强筋结构，特别适用于薄板壳结构，在航天航空、机械、汽车、建筑、防爆等行业被广泛应用；在薄板壳结构的基板上设计加强筋以提高结构的整体刚度。
本发明的技术方案是：一种防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，在所述防爆壳体的方形基板上设置有X形加强筋，所述X形加强筋具有四个加强叶，所述四个加强叶排列成X形。
进一步的，四个所述加强叶的外端部分别位于方形基板的四个角部，四个所述加强叶的内端部相靠拢。
进一步的，在四个所述加强叶的中心设置有一个方形基点，四个所述加强叶的内端部连接方形基点的角部。
进一步的，所述加强叶由上下两个等腰三角形构成。可以上下两个等腰三角形的大小不同。
进一步的，所述加强叶趋于菱形。类似于四菱结构。
进一步的，所述菱形加强叶的顶角为15-60度。
进一步的，所述菱形加强叶的顶角为30度。
进一步的，所述四个加强叶的等腰三角形的底边都有同一圆形加强筋穿过。
进一步的，所述圆形加强筋圈内还设置有一个方形加强筋。
一种防爆壳体的加强筋结构设计方法，具体如下。假设基板的厚度给定，壳单元的厚度为设计变量。给定约束和荷载的条件下，求加强筋在基板上布置的几何形状，使薄板壳结构使用材料最省，满足应力约束条件。并且通过定义结构描述数组。很方便实现结构的重分析，如节点、单元的重新生成，单元实常数变化等。
1.结构描述数组的定义
如图3示，基板为一长方形。用4结点壳单元将它离散为NxM个单元，宽度h方向上为N行，长度b方向上为M列，其中所有的单元可用一个二维数组ANxM来描述，数组任一个元素A(I,J)的值表示该单元的实常数厚度，且任意结点的总体编码可由I,J，N,M表示，任意结点的坐标可由I,J,N，M，b，h表示，如表l所示。定义二维数组ANxM为结构描述数组单元的局部编码如图4所示。
表1单元的局部编码，总体编码及相应的结点坐标
2优化设计算法
2.1问题的描述
假设基板的厚度给定、壳单元的实常数即厚度为设计变量。给定约束和荷载的条件下，求加强筋在基板上布置的几何形状使薄板壳结构使用材料最省，并且满足应力约束条件。
其数学模型可表达为
求h1,h2,...hn
其中V为结构的总体积，hi为第i个壳单元的厚度，σimax为第i个壳单元的最大VonMises等效应力，[σ]为屈服应力或许可应力。
2.2单元厚度重设计公式
当单元的厚度hi采取连续值时，可采用满应力准则法求解上述问题，单元厚度重设计公式为
其中为第i个壳单元在第k次分析中的厚度,σimax为第i个壳单元在第k次分析中的最大Von Mises等效应力，[σ]为屈服应力或许可应力，即作为在第(k+1)次结构分析中第i个壳单元的厚度。
2.3优化设计算法
停止迭代的准则为用式(2)修改后的体积Vk+1和修改前的体积Vk差的绝对值小于等于给定的小量η时停止迭代，即
|Vk+1-Vk|≤η (3)
(1)给出壳单元的初始厚度并赋值给结构描述数组A(I,J)；
(2)用四节点壳单元对结构进行离散，计算后获得每个壳单元的最大Vo Mises等效应力；
(3)根据式(2)修改每个壳单元的厚度，得到每个壳单元新的厚度，作为下一次结构分析使用，如果壳单元新的厚度小于或等于给定的板厚度，则令其等于板厚度；
(4)计算修改前和修改后结构的总体积。判断是否满足停止迭代准则(3)；如果不满足，回到第2步；如果满足，停止迭代，厚度不等于板厚度的壳单元及形成加强筋形状，输出结果，停机。
本发明的优点是：
本发明克服现有结构的不足提供一种新型加强筋结构。特别适用于薄板壳结构，在航天航空、机械、汽车、建筑、防爆等行业被广泛应用；这种结构在其方形基板上设计加强筋以提高结构的整体刚度。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为一种压铸壳体受内部压强的有限元分析结果；
图2为壳体的最大位移量检测结果；
图3防爆壳体的方形基板；
图4单元A(1，1)单元格编码；
图5基板受到的约束和载荷；
图6计算出的加强筋的分布形；
图7设计法优化的加强筋布局；
图8为优化后的壳体的最大位移量检测结果；
图9其中一种优化后的加强筋布局；
图10其中一种优化后的加强筋布局。
具体实施方式
实施例1：一正方形板厚lmm，长宽为50mm x 50mm，四角受到固端约束，在板中央受到垂直于板面的集中荷载p＝10kN作用，如图5所示，求基板加强筋的分布形状。经计算获得如图6所示的加强筋的分布形状。在所述防爆壳体的方形基板上设置有X形加强筋，所述X形加强筋具有四个加强叶，所述四个加强叶排列成X形。四个所述加强叶的外端部分别位于方形基板的四个角部，四个所述加强叶的内端部相靠拢。在四个所述加强叶的中心设置有一个方形基点，四个所述加强叶的内端部连接方形基点的角部。如图6所示的加强筋由4个菱形构成。考虑到后期铸件的加工的各种要求，我们将其优化成四菱形，如图9所示。经过测试优化后的加强筋布局可以解决应力集中和减小形变量等问题，使整个壳体受力均匀。
进一步的测试，四菱形的顶角在15-60度之间的时候效果较好。其中顶角在30度的时候效果最佳。
实施例2：一长方形板厚lmm，长宽为80mm x 50mm，四角受到固端约束，在板中央受到垂直于板面的集中荷载p＝10kN作用。经计算，优化，获得如图10所示的加强筋布局。经过测试优化后的加强筋布局可以解决应力集中和减小形变量等问题，使整个壳体受力均匀。
实施例3：一正方形板厚lmm，长宽为50mm x 50mm，四角受到固端约束，在板中央受到垂直于板面的集中荷载p＝10kN作用，如图5所示，求基板加强筋的分布形状。经计算优化后得到如图9所示的加强筋。进一步的试验，四个加强叶的等腰三角形的底边都有同一圆形加强筋穿过。经过测试，这样的加强筋结构强度略好于没有圆形加强筋的结构。进一步的测试，在圆形加强筋圈内还设置有一个方形加强筋，如图7所示。经过测试，这样的加强筋结构强度优于只有X结构和圆形结构的加强筋。图7为运用设计法优化的加强筋布局，此时壳体受压强后有限元分析结果显示，最大应力为1.74e+008N.m2。基本等于ADC12的屈服强度，此材质为例题壳体材质，加强筋的结构不受材质影响，应力情况符合要求。优化后壳体的最大位移量为0.889mm，如图8所示。数据表明优化后的加强筋布局可以解决应力集中和减小形变量等问题，使整个壳体受力均匀。上述算例表明，基于满应力准则的基板结构加强筋的设计法能解决工程中基板加强筋的分布设计问题，特别是解决铸造薄板壳结构其基板加强筋的分布及其形状问题。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，在所述防爆壳体的方形基板上设置有X形加强筋，所述X形加强筋具有四个加强叶，所述四个加强叶排列成X形。
2.根据权利要求1所述的防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，四个所述加强叶的外端部分别位于方形基板的四个角部，四个所述加强叶的内端部相靠拢。
3.根据权利要求1所述的防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，在四个所述加强叶的中心设置有一个方形基点，四个所述加强叶的内端部连接方形基点的角部。
4.根据权利要求1所述的防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，所述加强叶由上下两个等腰三角形构成。
5.根据权利要求4所述的防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，所述加强叶趋于菱形。
6.根据权利要求5所述的防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，所述菱形加强叶的顶角为15-60度。
7.根据权利要求6所述的防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，所述菱形加强叶的顶角为30度。
8.根据权利要求4或5所述的防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，所述四个加强叶的等腰三角形的底边都有同一圆形加强筋穿过。
9.根据权利要求8所述的防爆壳体的加强筋结构，其特征在于，所述圆形加强筋圈内还设置有一个方形加强筋。
10.一种防爆壳体的加强筋结构设计方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将方形基板离散为NxM个单元，宽度h方向上为N行，长度b方向上为M列；
（2）给出壳单元的初始厚度并赋值给结构描述数组A(I,J)；
（3）用四节点壳单元对结构进行离散，计算后获得每个壳单元的最大Vo Mises等效应力；
（4）根据式（3）修改每个壳单元的厚度，得到每个壳单元新的厚度，作为下一次结构分析使用，如果壳单元新的厚度小于或等于给定的板厚度，则令其等于板厚度；
（5）计算修改前和修改后结构的总体积，判断是否满足迭代准则，输入结果。
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US20110315824A1 (en) * 2010-06-25 2011-12-29 The Boeing Company Composite structures having integrated stiffeners and method of making the same
CN203265395U (zh) * 2013-04-15 2013-11-06 苏州富士特金属薄板制品有限公司 一种折弯快速成型加强筋模具

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