电热内胆仿真分析

王羽 曹冠忠 王德君 田海燕 荆彦涛 张洪烈

（1.青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司，山东青岛 266101；2.数字化家电国家重点实验室，山东青岛 266100）

在工业设计越来越数字化的今天，运用新技术进行产品设计便成为了一种趋势。仿真技术可以在产品设计前期对产品存在的缺陷进行高精度的预估，相比于传统设计，减少了实验流程，能够缩短产品设计周期，降低开发成本。该技术逐渐成为工程师进行前期设计的一种手段，也被广大企业所接受和认可。

在电热水器中，内胆漏水问题一直是行业棘手的问题。对其漏水原因进行分析，焊缝区域的相当一部分漏水情况是长期使用所引起的疲劳破坏，内胆上漏水大多是内部瓷层破坏进而水腐蚀导致的，也有个别是由于强度问题引起的。如何在保证焊接质量和工艺的前提下，在设计前期对内胆强度进行全面评估就成为解决问题的关键。目前来说，电热内胆的有限元分析方法及校核标准还未形成行业规范，王羽等人[1]针对母材部分进行了强度分析的探索。本文将全面阐述运用有限元手段进行电热内胆分析，使其在前期设计阶段规避掉由于强度引起的质量问题。

1 电热内胆受力特征

电热内胆的设计使用寿命一般是八年，这就意味着其承受的是长期的交变载荷，在这种情况下它的破坏就是疲劳应力引起的强度破坏。内胆在均布内压作用下，其环向和轴向的“纤维”受到拉伸，存在环向应力σ0、轴向应力σm和径向应力σr。电热内胆一般属于薄壁内胆，对于薄壁内胆来说，其径向应力远小于其它两个方向的应力值。

对于圆筒型壳体，筒体上的环向应力σ0为：

轴向应力σm为：

其中，p为内压，D为内胆内径，t为内胆壁厚。

本文以深拉伸内胆为例进行阐述，这种内胆，是两块板料分别深拉伸成型后，对接焊而成，其焊缝仅有一道，位于内胆中筒的中间位置，为环向焊缝，在内压下它的受力就是如图1所示的轴向应力。

图1 内胆受力图

2 电热内胆的疲劳实验

根据电热内胆的受力特征，分别从内胆上取相应的母材区和焊缝区的材料，按照GB/T 3075-2008《金属材料 疲劳实验轴向力控制方法》[2]和HB/Z 112-1986《材料疲劳实验统计分析》[3]的标准，进行疲劳实验，实验在MTS-100KN 的疲劳实验机上进行,内胆材料疲劳实验图如图2 所示。

图2 内胆材料疲劳实验图

对样本的疲劳实验数据进行处理，母材和焊缝区材料拟合的S-N 曲线如图3、图4 所示。实验数据显示，母材和焊缝区材料的应力均随着加载次数的增加而降低，母材区下降趋势相对较缓慢，而焊缝区下降趋势明显。内胆的设计使用寿命一般是八年，根据其使用频率，企业规范里对应的总使用次数为16 万次。本文分别从拟合的数据中提取16 万次循环次数对应的应力，作为校核母材区和焊缝区材料强度的标准。

图3 母材疲劳S-N 曲线

图4 焊缝疲劳S-N 曲线

3 电热内胆的有限元分析

本文以一电热内胆为例，进行了正常承载下的有限元分析，其焊缝区域按照全熔透的焊接方式建模，其典型部位的有限元分析结果如下，电热内胆有限元模型如图5 所示，封头过渡区应力云图如图6 所示，中筒部位轴向应力云图如图7 所示。

图5 电热内胆有限元模型

图6 封头过渡区应力云图

有限元结果显示，整胆的应力最大处位于上封头过渡区，应力大小为100.2 Mpa，焊缝区应力为45.3 Mpa，根据提取的16 万次循环次数的疲劳应力数据，整胆的校核结果如表1所示。

图7 中筒部位轴向应力云图

表1 电热内胆强度校核

按照上述流程，本文以行业内部分电热水器内胆为样本，进行了仿真和实际情况的对标，结果显示仿真标准满足实际内胆在使用寿命内对强度的要求。

4 结论

在用户使用过程中，电热内胆的漏水问题成为了行业内一个亟待解决的问题。用仿真手段介入产品设计，能够提前预测问题点的存在，但电热内胆的有限元分析方法及校核标准目前还未形成行业规范。本文针对这一问题，研究内胆的受力特征，分别对内胆的母材和焊缝区材料进行了疲劳实验，按照内胆设计使用寿命，提取出了对应使用寿命应该满足的应力值。最后，用实例进行了仿真分析的阐述，并运用了大量的样本进行仿真和实验的对标，结果显示这一分析手段满足内胆使用寿命对强度值的要求。