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真空箱强度的分析与优化ZT
发布日期：2010-10-29
近年来真空冷却与气调保鲜技术的有机结合，被誉为21世纪保鲜新技术。其主要内容是由农产品的采摘、真空冷却、气调处理、贮藏和运输等多个环节形成的“冷链”组成。该技术对收获后的新鲜农产品（蔬菜、果品、花卉）的保鲜延长储存期有着明显效果，可扩大农产品异地调配范围，实现不同季节均衡上市，促进出口创汇，具有明显的社会经济效益。该保鲜技术中的一个重要部件是真空箱。它体积庞大，为了抵抗抽真空所导致的压力，一般采用不锈钢制成，这样真空箱在制造和运输过程中花费较大。为了在满足工作要求的前提下进一步降低产品材料消耗及成本，本文在对原有真空箱强度分析的基础上，利用有限元方法对真空箱进行了优化设计。

一、真空箱的结构和工作条件
二、建立有限元模型

1.模型简化及相关参数

由于真空箱使用前，在大约1个小时内由常压抽为真空，因此可以认为真空箱是处于静载作用下的，外压 Pa。

工作中真空箱四个脚固定，这样其约束采用在四个节点约束6个自由度。

根据压力容器的相关规范，取安全系数n=2.0，则许用抗拉强度为：

表 真空箱材料参数


2.网格划分及有限元分析

真空箱的焊缝强度是一个非常复杂的问题，在本文中暂不研究。在有限元模型中把焊接作为一体处理。

本例采用quad4网格形式自动划分网格。考虑建立壳（shell）单元时厚度的不同，以及加载方便，分别以前后基板、左右基板、上下基板和加强板建立四个分组。

为使划分的网格匹配，保证基板和加强板之间的载荷传递，采用小块表面（surface）建立几何模型，本例共建立1722个表面。

加上边界条件和材料后，使用Nastran2004对其进行分析，结果如图2所示。
从图中可以得到：工作应力σmax=308 MPa，

所以，当强度剩余系数g2时，即可以满足使用要求。

三、优化设计

以基板和加强板的厚度作为设计变量，根据前面的分析和设计经验，基板的厚度值范围应限定为5～13mm，加强板的厚度值范围应限定为3～9mm。设计的目标是达到重量最轻，设计约束为VON Mises应力值在-450～450MPa。

本例在分析中设定的循环次数为10，而在实际计算中只循环了4次就逼近了设计目标。优化结果分别如图3、图4和图5所示。
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查看*.f06文件，优化的详细结果如下：

设计变量的值为：左右基板厚度为5.0013mm，前后基板厚度为5.0mm，上下基板厚度为5.0004mm、加强板厚度为7.8316mm。

经过优化设计后，真空箱重量由13120Kg减小为7897Kg。

四、小结

本文首先对原有的真空箱进行了强度分析，确定了其强度有较大裕度。然后在上述分析的基础上，使用有限元方法以重量为优化目标对真空箱进行了优化设计，并获得了最小壁厚。从优化设计后的结果来看，真空箱的重量由13120Kg降低到7897Kg，重量减少了40％，效果比较明显。真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱真空箱
 

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