基於有限元法的閥門力學與密封性能分析
時間:2011-4-20 10:43:34 來源:溫州尼威閥門 瀏覽數:1963
閥門的強度、剛度以及密(mì)封性能是閥門重要的技術性能指標。在設計時要求必須具有足夠的強度和剛度,以保證長期使用而不發生破裂或產生變形;要求閥門各密封部位(wèi)有合理的密封比壓,以保證密封部件不損傷而又能有良好的緊密度,以阻止介質泄漏(lòu)。而基於經典(diǎn)力學理論的常規設計計算方法由於其固有的局限性,對於複雜幾何結構、多載荷作用下的計算是無能為力的,即使對於受(shòu)簡單邊界條件的結構,也會因為結構較複(fù)雜使得計算不準確,甚至與實際相差甚遠。因此,基於有限法的數值模擬成為(wéi)解決(jué)這些複雜問題的利器,很多學者及技術人員,對閥門單個零(líng)部件進行了有限元(yuán)計算和結構分析。
我們以閘閥為對象,考慮部件之間的接觸作用,建立起閥體、座圈與閘(zhá)板一體化的(de)三維(wéi)非(fēi)線(xiàn)性有(yǒu)限元模型,同時獲得閥體、座(zuò)圈與閘板各部件的應力與變形計算結果,以及能綜合評價密封性能的(de)座圈接觸應力、座圈與閘板的間隙值等重要數據,據(jù)此(cǐ)分析各(gè)部件結構(gòu)的合理(lǐ)性並提出(chū)結構優化思路(lù)。
二、閘閥結構計(jì)算分析
1.閘閥結(jié)構
由於本分析(xī)主(zhǔ)要考察閥體、座圈(quān)與閘板等(děng)零部件的力學性能和密封性能(néng),因此在三維建模時,忽略其他(tā)不考慮且對分析結果影響甚(shèn)微的部件,通過三(sān)維建模軟件SolidWorks建立如圖1所示的三維幾何模(mó)型。
圖1 閘閥三維幾何模型
閥體使用純鈦材料,其泊鬆比0.35,彈性(xìng)模量為1.08×105MPa,約(yuē)為鋼(gāng)的1/2,剛性(xìng)差(chà),易變形,屈服強度僅275MPa。閥門的關(guān)閉通過座圈與閘板之間緊緊擠壓在一起,接觸麵形成大小適宜的壓應力,以阻止介質的泄漏。
2.有限元計算模型
由於幾何及(jí)載荷的(de)對(duì)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,模(mó)型采用SOLID95實體單元和TARGE170、CONTA174接觸單元,為了提高計算精度(dù),手工控製(zhì)進行全六麵體網(wǎng)格劃分(fèn),共82456個單元,176324個節點。模型各部件之間的聯係通過MPC約(yuē)束,建立接觸對的方法進行處理。建立(lì)的有限元(yuán)模(mó)型及(jí)兩個接觸對單元如圖2、圖3所示。
圖2 有限元模型
圖3 接觸對單元
建模時,閥體與座圈、座圈和閘板之間建立麵(miàn)-麵接觸模擬部(bù)件之間的相互作用。由於座圈與閥(fá)體(tǐ)是通(tōng)過焊接連接,之間無相對滑動和穿透(tòu),為了減(jiǎn)小係統方程求解的波前大小,采用MPC多(duō)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,接(jiē)觸(chù)狀態是急(jí)劇變化的,屬於狀態(tài)非線性問題,根據實際情況及結果精度需(xū)要(yào),采(cǎi)用增廣拉格朗日算法非線性求解接觸麵的接觸(chù)狀(zhuàng)態、接觸應力和接觸(chù)間隙。
本分析僅計算關閉(bì)工況,在進出口法蘭端麵(miàn)進行(háng)全約束,中法蘭端麵進行Z軸向約束,同(tóng)時施加對稱約束(shù),在閥體、座圈和閘板受壓表麵施加2MPa的均布壓力,閘板推力2280N(1/4倍總推(tuī)力)通過處理為(wéi)麵力作用在閘板上。
3.求解
有限元計算模型利用ANSYS牛頓—拉普森方(fāng)法求解,為了增強求解的收斂性和提高計算精度(dù),對自適應下降,線性(xìng)搜索,自動載荷步進行(háng)必要的設置(zhì),同時,為了(le)防止座圈與(yǔ)閘板接(jiē)觸分離,采取弧長(zhǎng)方法迭代來幫助穩(wěn)定求解。
4.計算結果與分析
計算在內壓、閘板推力(lì)作用下的閥體變形量、應力強度,座圈的接觸應力(比壓)及應力(lì)強度、軸向變形量,閘板的應力、軸(zhóu)向變形及垂(chuí)向移動量,座圈與(yǔ)閘板的間隙量等重要場量。從(cóng)而考察各部件的強度與剛(gāng)度性能(néng)、密封性能以及扭矩是否合理。
圖4、圖5分(fèn)別為閥體的應力強度和變形雲圖,在內壓及閘板推力(lì)作用下,閥體的變(biàn)形主要是Y向(流道方向)的(de)變形,這裏主要(yào)考量座圈位置處(chù)的變形量(如圖5中(zhōng)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(shì)對1/4閥體而言(yán),對整個閥體而言(yán),座圈(quān)位(wèi)置處Y向(即(jí)流道方向)的變形量為0.0148mm的兩倍,即0.0296mm,在(zài)可接受的範圍內,但偏大。閥體的圓角過渡區域由於變形(xíng)擠壓而引起以壓縮應力為主(zhǔ)的合成應力,大應力強度值為52.4MPa,遠遠小於材料的屈服強度(dù)值275MPa,而且對大部分區域來說,無(wú)論是總應力強度還是薄膜應力強(qiáng)度大大小於52.4MPa,因此有足夠的安全餘量(liàng),且有很大的結構優(yōu)化減重空間。
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