閥門的強度、剛度（dù）以及密封性能是閥門（mén）重要的技術性能指標（biāo）。在設計時要求必須具有足夠的強度和（hé）剛度，以保證長（zhǎng）期使用而不發生破裂或產生變形；要求閥（fá）門各（gè）密封部位有合理的密封比壓，以保證密封部件不（bú）損傷而又能有良好（hǎo）的緊密度，以阻止介質（zhì）泄漏。而基於經典力學理論的常規設計計算方法由（yóu）於其固有的局限性，對（duì）於複雜幾何結構、多載荷作用下的計算是無能（néng）為力的，即使對於受簡單邊界條件的（de）結構，也會因為結構較複雜使得計算不準確，甚至（zhì）與實際相（xiàng）差甚遠。因此，基於有限法的數值模擬成為解決（jué）這些複雜（zá）問題的利器，很多學者及技術人員，對閥門單個零部件進行了有限元計算和結構分析。

    我們以閘閥為對象，考（kǎo）慮部件之間的接觸作用，建立起閥體、座圈與（yǔ）閘板一體化的（de）三維非線性（xìng）有限元模型，同時（shí）獲得閥體（tǐ）、座圈與閘板各部件的應力與變形計算結果，以及能綜（zōng）合評價密封性能的（de）座圈接觸應力、座圈與閘板的間隙值等重要數據，據此分析各部件結（jié）構的合理（lǐ）性並提出結構優化思路。

    二、閘閥結構計算分析

    1.閘閥結構

    由於本分析主要（yào）考察閥體、座（zuò）圈與閘板等零部件的（de）力學性（xìng）能和（hé）密封性（xìng）能，因此在三維建模（mó）時，忽略其他不考慮且對分析（xī）結果影響甚微的部件，通過（guò）三維建模軟件SolidWorks建立如圖1所示的三維幾何模型。

圖1 閘閥三維幾何模型

    閥體使用純鈦材料（liào），其泊鬆比0.35，彈性模量為1.08×105MPa，約為（wéi）鋼的1/2，剛（gāng）性差，易（yì）變形，屈服強度僅275MPa。閥門的關閉通過座圈與閘板之（zhī）間緊緊擠壓（yā）在一（yī）起，接觸麵形成大小適宜的壓應力，以阻（zǔ）止介（jiè）質的泄漏。

    2.有限元計算（suàn）模型

    由於（yú）幾何及（jí）載荷（hé）的對稱性，取1/4模型進行有限元建模。利用強大的前處理軟件HyperMesh建立三維有限元模型（xíng），模型采用SOLID95實體單元和TARGE170、CONTA174接觸單元，為了提高計算精度，手工控製進（jìn）行全六麵（miàn）體網格劃分，共82456個單元，176324個節點。模型各部件（jiàn）之（zhī）間的聯係通過（guò）MPC約束，建立接觸對的方法進行處理。建立（lì）的有限元模（mó）型及兩個接觸對單元如圖2、圖3所示。

圖（tú）2 有限元模型

圖3 接觸對單元

    建模（mó）時，閥體與座圈、座圈和閘板之間建立麵－麵接觸模擬部件之間的相互作用。由於座圈與閥體是通過焊接連接，之間（jiān）無相對滑動（dòng）和穿透，為了減小係統方程求（qiú）解的波前大小，采用MPC多點約束算法進行線性求解。而座圈和閘板之間存在有摩擦的滑動（dòng），接觸狀態（tài）是急劇變化的，屬於（yú）狀態非線性問題，根據實際情況及結果精度需要，采用（yòng）增廣拉格朗日算法非線性（xìng）求解（jiě）接觸麵的接觸狀態、接觸（chù）應力和接觸間隙。

    本分析（xī）僅計（jì）算關閉工況，在（zài）進出口法蘭端麵進（jìn）行全約束，中法蘭端麵進行Z軸向約束，同時施加對稱約束，在閥體、座圈和閘板受壓（yā）表麵（miàn）施（shī）加2MPa的均布壓（yā）力，閘板推力2280N（1/4倍總推（tuī）力）通過處理為麵力作用在閘板上。

    3.求（qiú）解

    有限元（yuán）計算模型利用ANSYS牛頓（dùn）—拉（lā）普森方法求解，為了增強求解（jiě）的（de）收斂性和提高計算精度，對自適應下降，線性搜索，自動載荷（hé）步（bù）進行必要的設置，同時，為了防止座圈與閘板（bǎn）接觸分離，采取（qǔ）弧長方法迭代來幫助穩定求（qiú）解。

    4.計算結果與分析

    計算在（zài）內壓、閘板推力作用下的閥體變形量、應力強度，座（zuò）圈的接（jiē）觸應力（比壓）及應力強度、軸向變形量，閘板的應力、軸向變形及垂向移動量，座圈與閘板的間（jiān）隙量等重（chóng）要（yào）場量。從而考察各部件的強度與剛度性能（néng）、密封性能以（yǐ）及扭矩是否合理。

    圖4、圖5分別為閥體的應力強度和變形雲圖，在內壓及閘板推力（lì）作（zuò）用下，閥體的變（biàn）形主要是Y向（流道方向（xiàng））的變形，這裏主要考量座圈位置處（chù）的變形量（如圖5中方框指示區域），大變形達0.0148mm，如圖中所標示數值，這個數值僅是對1/4閥體而言（yán），對整個閥體而言，座圈位（wèi）置處Y向（即流道方向）的變形（xíng）量為0.0148mm的兩倍，即0.0296mm，在可接受的範圍內，但偏大。閥體的圓角過（guò）渡區域（yù）由於（yú）變形擠壓（yā）而（ér）引起以壓（yā）縮（suō）應力為主的合成應力（lì），大應力強度值為52.4MPa，遠遠小於材料的屈服強（qiáng）度值275MPa，而且對大部分區域來說，無論是（shì）總應力強度還是薄膜應力強度大大小於52.4MPa，因此有足夠的安全餘量，且有很大（dà）的結構優化減重空間。