基于有限元分析新型消防三分水器结构的改进设计_陈周五.pdf

第 36 卷第 1 期2023 年 2 月常 州 工 学 院 学 报Journal of Changzhou Institute of TechnologyVol 36No 1Feb 2023doi:10 3969/j issn 1671-0436 2023 01 008收稿日期:2022-03-30基金项目:安徽省教育厅优秀青年人才支持计划项目(gxyq2020139);安徽省教育厅高等学校科学研究项目(2022AH052668)作者简介:陈周五(1981)，男，安徽枞阳人，副教授，117357618 qq com，主要研究领域为逆向工程、CAD/CAM。基于有限元分析新型消防三分水器结构的改进设计陈周五(安徽工业经济职业技术学院机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230051)摘要:利用 CAE 软件对现有消防分水器产品模型进行网格处理并进行有限元分析。通过施加不同载荷水压，分析产品结构方面的缺陷，进而设计满足中高压场合使用的消防分水器结构。该方法能够有效解决传统正向设计存在的周期长与成本高等问题，可为相关产品开发和应用提供理论指导。关键词:消防分水器;CAE 软件;有限元分析;网格处理中图分类号:TU998 13文献标志码:A文章编号:1671-0436(2023)01-0040-05Improved Design of a New Fire Water DistributorBased on Finite Element AnalysisCHEN Zhouwu(College of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Technical College of Industry and Economy，Hefei 230051)Abstract:The product model was meshed and analyzed by CAE software in this research By applyingdifferent load water pressure，the defects of product structure were analyzed，and then the structure of firewater separator was designed to meet the needs of medium and high pressure occasions This method can ef-fectively solve the problems of long cycle and high cost in traditional forward design，and can provide theo-retical guidance for the development and application of related productsKey words:fire water distributor;CAE software;finite element analysis;mesh processing消防分水器是一种用于连接消防供水干线与多支线的消防器具，因此消防分水器需包含一个进水口以及多个出水口，以确保消防供水的及时性。国内消防分水器的工作压力主要有 l 6 MPa和 2 5 MPa1。本文以现有的某款消防三分水器为研究对象，采用有限元分析方法，通过施加不同水压作用于该分水器模型，利用 HyperWorks 软件分析不同水压作用下分水器模型的应力大小和位移变形情况，分析现有产品结构设计缺陷并进行改进，最终设计出能够满足工作压力为 3 5 MPa水压的消防分水器结构，以满足中高压场合的使用2。1原产品结构分析某款消防三分水器，材料为 ZL104 铝合金，额定工作压力为 2 5 MPa，实物见图 1。为了对该款产品在施加不同水压时的受力和位移变形情况进行分析，需要对该款产品的三维实体模型进行重构3 5。由于该产品的原始技术资料缺失，利用逆向工程技术，通过产品点云数据采集、逆向建模、重构模型质量分析等步骤，最终完成该消防三分水器的几何模型重构。重构的消防三分水器几何模型如图 2 所示。第 1 期陈周五:基于有限元分析新型消防三分水器结构的改进设计图 1消防三分水器实物图图 2消防三分水器几何模型为了分析该消防三分水器在不同水压下的受力和位移变形情况，采用 HyperWorks 软件对该分水器进行有限元分析。获取在施加 2 5 MPa 和3.5 MPa 两种水压作用下，该分水器结构应力云图和位移云图，以确定该产品的结构能否满足中高压使用要求6 7。1 1模型有限元分析前处理该消防三分水器所用材料为 ZL104 铝合金，该材料的铸造性能良好，无热裂倾向，气密性高，线收缩小。材料参数为:弹性模量 E=69 GPa，泊松比 =0 34，抗拉强度 b=145 MPa。为了便于该产品有限元模型的建立，对该产品的几何模型结构进行简化处理，并保存为 stp 格式导入 HyperWorks 软 件 中。采 用 Volume TetraMesher 方式，对几何模型进行四面体网格划分，网格单元数量为 52 367，通过上述步骤完成该几何体有限元模型的建立。由于产品额定工作压力为 2 5 MPa，为了准确分析产品在载荷压力为 2 5 MPa 和 3.5 MPa情况下的受力情况，考虑产品在实际工作中的约束情况，在消防分水器进水口和 3 个出水口处加载全约束，部件受均布载荷压力且均布载荷压力的方向均垂直于结构单元内表面，施加载荷和约束后的几何模型如图 3 所示。图 3施加约束和载荷的几何模型1 2施加 2 5 MPa 压力的模型有限元分析当施加载荷水压为 2 5 MPa 时，该模型结构应力云图如图 4 所示，从图中可以看出，该结构应力最大值发生在相邻两出水口的相贯位置，且最大 值 为 130 6 MPa，小 于 材 料 的 抗 拉 强 度145 MPa。(a)模型外部应力云图(b)模型内部应力云图图 4施加 2 5 MPa 作用下的应力云图14常州工学院学报2023 年消防三分水器在 2 5 MPa 均布载荷压力作用下的位移云图如图 5 所示，从位移云图可以看出，结构会产生位移变形，位移变形最大位置位于消防三分水器中间管道的上表面和下表面中间位置处，最大值为 0 29 mm。(a)模型外部位移云图(b)模型内部位移云图图 5施加 2 5 MPa 作用下的位移云图根据以上分析结果，模型在均布载荷压力为2 5 MPa 时，产品受力和位移变形满足 ZL104 铝合金性能要求。1 3施加 3 5 MPa 压力的模型有限元分析当施加载荷水压为35 MPa 时，该模型结构应力云图如图 6 所示。从图中可以看出，该结构应力最大值发生在相邻两出水口的相贯中间位置，最大值为19470 MPa，大于材料的抗拉强度145 MPa。消防三分水器在 3 5 MPa 均布载荷压力作用下的位移云图如图 7 所示，从该位移云图可以看出，结构会发生位移变形，位移变形最大位置位于消防三分水器中间管道的上表面和下表面中间(a)模型外部应力云图(b)模型内部应力云图图 6施加 3 5 MPa 作用下的应力云图位置，最大值为 0 321 mm。(a)模型外部位移云图24第 1 期陈周五:基于有限元分析新型消防三分水器结构的改进设计(b)模型内部位移云图图 7施加 3 5 MPa 作用下的位移云图通过上述分析结果，该模型在均布载荷压力为 3 5 MPa 时，已经超出该材料抗拉强度，无法满足工作需求。从上述结构应力云图和位移云图可以得出:该消防三分水器最易发生断裂的位置位于相邻两出水口的相贯处，此处的应力最大;位移变形最大位置位于消防三分水器中间管道的上表面和下表面中间处。2新产品结构改进设计为了改进消防三分水器结构，依据应力分析和位移分析，应调整相邻两出水口相贯位置和中间主管道的型腔表面结构，从而提高该结构整体抗拉强度，减小型腔表面的位移变形量。2 1内压容器设计可将消防三分水器看作是由 3 个壳体组合而成的，在两壳体交界处会形成约束，使壳体交界处发生局部变形，导致该区域应力增大，此局部应力称为边缘应力。依据应力分析，当圆筒角度越大，内壳体的载荷压力越小，圆筒内壳体在承受均匀载荷压力 P时，其内表面产生的周向薄膜应力为=PD2(1)式中:D 为圆筒直径，mm;为圆筒壁厚，mm。圆筒计算应力 r可按下式进行强度校核:r=Pc(Di+e)2er t(2)式中:Pc为计算压力，MPa;e为有效厚度，mm;Di为球壳的内直径，mm;t为材料使用温度下的许用应力，MPa。圆筒壳体计算厚度 c按下式计算:c=PcDi4 t Pc(3)2 2结构改进设计根据内压容器设计要求及特点，对现有模型结构加以改进。圆筒角度越大，内壳体承受的压力越小，结合式(1)可以看出，内壳体压力的降低会减小薄膜应力，因此为了降低圆筒内壳体相贯线处应力，扩大出水口的角度，将左右出水口中心轴线由 90改为 100;为了减小中间管道的上表面和下表面中间位置位移变形量，设计消防三分水器型腔为球形型腔，改进后的结构如图 8 所示。图 8改进后结构模型2 3施加 3 5 MPa 压力的新模型有限元分析当施加载荷水压为 3 5 MPa 时，新模型结构的应力云图如图 9 所示，从图中可以看出，该结构应力最大值发生在相邻两出口的相贯位置处，最大值为 135 7 MPa，小于该材料抗拉强度值，符合材料的抗拉应力要求。改进后的消防三分水器在 3 5 MPa 均布载荷压力作用下的位移云图如图 10 所示，从位移云图中可以看出，该结构会发生位移变形，位移变形最大位置位于消防三分水器中间管道的上表面和下表面中间位置，最大值为 0 182 5 mm，小于该消防三分水器在 1 5 MPa 时的最大位移变形值0 29 mm，满足材料的位移变形要求，符合要求。34常州工学院学报2023 年图 9施加 3 5 MPa 作用下的应力云图(改进结构)图 10施加 3 5 MPa 作用下的位移云图(改进结构)3结论本文通过对原始产品结构进行分析，得出该消防三分水器最易发生断裂的位置位于相邻两出水口的相贯处，此处的应力最大;位移变形最大位置位于消防三分水器中间管道的上表面和下表面中间。因此，根据内压容器设计原理，将消防三分水器左右出水口中心轴线由 90改为 100，同时将中间管道型腔设计成球形型腔，通过应力分析和位移分析可知，改进结构满足设计要求。参考文献 1许崇明 分水器天然气回收装置的研制与应用J 中国石油和化工标准与质量，2011，31(2):71 2周潼，王莉，牛群峰，等 基于改进遗传算法和有限元分析的罗氏线圈结构优化设计J 科学技术与工程，2020，20(22):238 243 3郎强强，唐淼，田飞，等 螺杆式消防分水器的研发及应用 J 消防技术与产品信息，2018，31(11):81 83 4杨伟，杨琳琳，孙跃，等 分水器二维湍流数值模拟与分析 J 水资源与水工程学报，2010，21(4):89 91，95 5高乃云，薛冠，应灵慧，等 室内配水器给水系统配水均匀性研究 J 给水排水，2016(9):78 81 6张婉卿，李成，李安桂 分水器三通管路减阻及优化设计 J 暖通空调，2019，49(8):131 136 7黄晓哲，傅智敏 四通阀与分水器在美国消防供水中的应用 J 武警学院学报，2019，35(6):33 37责任编辑:刘景平44