闸阀阀体的有限元分析_高平

石家庄铁道学院学报

JOURNALOFSHIJIAZHUANGRAILWAYINSTITUTE

Vo.l18󰀁No.6

Jun.2005

闸阀阀体的有限元分析

高󰀁平,󰀁郑󰀁军

(北京机械工业学院,北京󰀁100085)

󰀁󰀁摘要:闸阀作为管线上闭路装置,应用范围较广,产量目前仍占阀门产品的第一位。利用UG软件强大的CAD/CAE功能进行闸阀阀体的有限元分析,从而对阀体尺寸和结构进行优化。

由于UG软件集CAD/CAE功能于一身,因此,建模所得的实体模型可直接用于有限元分析,使整个过程步骤大大简化,提高了工作效率,缩短了产品的设计周期。

关键词:闸阀;UG;有限元分析

中图分类号:TH134󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:10063226(2005)02009103

市场的开放性和全球化,促使产品的竞争日趋激烈,而决定产品竞争力的指标是产品的开发时间、产品质量、成本、创新能力和服务。用户在追求高质量产品的同时,会更多地追求低的价格和短的交货期。这就要求企业改变过去传统的设计、生产和管理模式,最大限度地利用虚拟设计手段,以提高产品的质量和性能,降低成本,并努力缩短交货期,同时还需要快速响应市场和用户的变化,该项目就是为适应这种形势的变化而提出来的。成都阀门厂闸阀的结构如图1,主要参数如下:型号:Z62sk41y-16P;公称通径:DN150mm;适用介质:油品、蒸汽、空气、水;材料:炭钢;公称压力Pn16MPa;适用温度:󰀁300󰀁。

图1󰀁闸阀的结构󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图2󰀁阀体结构

1󰀁最初阀体的有限元分析

UG有限元分析模块是一个集成的CAE工具,它可以直接将CAD模块中建立的几何模型转化成有限元分析模型,可进行多种方案的比较,从而在不需要另外构建近似几何模型的情况下,精确表现真实的产品设计,为分析节省了设计时间。且在分析的后置处理结果中,能准确直观地得到产品各部位的应力、应变分布情况,从而预知所设计的产品是否满足要求。UG/FEA是一个常用的有限元分析工具,它紧密集成了UG/ScenarioforFEA予处理与后处理功能,这种集成为产品提供了一个建摸和分析环境

[1]

。闸阀阀体

有限元分析的简化:将阀体割成1/2,减少有限元分析数量。阀体受力为均匀内压。边界条件设定为中法兰、端法兰固支型及两对称边界条件。网格采用四面体网格,可根据阀体各部位壁厚自动划分。为保证有限元计算结果的可靠性,单元网格划分尺寸设定应不大于阀体的最小壁厚值。

主阀体壁厚为30mm,端法兰端阀体壁厚为12mm,法兰厚度为22mm,阀体结构图如图2。首先对未

收稿日期:20041130

作者简介:高平󰀁女󰀁1964年出生󰀁讲师

󰀁92石󰀁家󰀁庄󰀁铁󰀁道󰀁学󰀁院󰀁学󰀁报第18卷

加筋板的闸阀阀体进行有限元分析,找出其应力集中处及最大变形的位置,再优化筋板的位置及数量、阀体壁厚,最后在所有可行的设计方案中进行最优选择。步骤如下

[2]

:①有限元分析文件的建立。②指定

零件材料属性。材料名称为1Cr18Ni9T,i类型为STEEL,屈服极限为196MPa,抗拉极限为441MPa。③准备分析模型。先理想化模型,模型理想化是通过从实体上移去一组表面或对实体进行简化,将复杂的模型变成简单的模型,并保持其原来的一些关键特征,从而得到关键特征的详细分析结果。再修改模型,由于该零件是一个对称零件,分析时取一半模型进行。④添加载荷。在系统弹出载荷添加对话框中,设置载荷类型为正压力(NormalPressure),在对话框的Pn文本框中输入压力值为16MPa。⑤指定边界条件。在该零件中,由于中法兰端面和端法兰端面与管线相固联,所以需要添加的边界条件为中法兰端面和端法兰端面的固定。⑥划分网格。有限元网格划分的优劣,直接影响到分析结果的可靠性和分析所占用的时间,所以采用四面体网格,根据阀体各部位壁厚自动划分。先建立三维网格,然后在系统弹出的添加材料对话框中选择材料,确认材料的选择。⑦系统进行分析求解。⑧查看分析结果。当系统分析求解结束后,接着可以查看分析结果。阀体的变形位移图如图3,由分析结果可见,阀体的最大变形产生于阀体的侧面,数值是0.05482mm。阀体的应力最大数值是145.3MPa,阀体许用应力为122.5MPa,阀体不满足强度要求。

2󰀁筋板添加后阀体的有限元分析

根据阀体应力图初步确定阀体上筋板的添加,方案中,端法兰与中法兰间的筋板厚度为40mm,连接中法兰筋板高度为28mm,连接端法兰筋板高度为35mm,端法兰与阀体间的筋板厚度为10mm。添加完后,对阀体再次进行有限元分析,可见,端法兰与阀体中法兰端间的应力集中消除了,应力数值明显减小,应力最大值降为136.9MPa,最大值出现在厚度10mm筋板与阀体的连接处;同时,厚度为40mm的筋板与端法兰连接处的应力集中还比较明显,应力值在130MPa左右,超过材料的许用应力范围;整个阀体壁上的应力范围在20~100MPa

之间,小于材料的许用应力,因此,阀体的壁厚还需适当的减薄;另外,阀体尾端的应力较小,此处的10mm

[3]

厚的筋板可以去除。

通过上面的分析,确定阀体上需要优化设计的内容包括:厚度为10mm的筋板与阀体连接处的应力集中的消除,厚度为40mm的筋板与端法兰连接处的弯曲应力集中的消除,阀体壁厚的减薄,端法兰与阀体连接处应力集中的消除。在进行阀体壁厚的优化设计之前,如筋板位置上依然存在大的应力集中,将会无法确定阀体壁上的应力是否符合要求,因此,在阀体壁厚较厚并应力值小于许用应力时,首先优化筋板的设计,将筋板上的应力集中消除后,再进行阀体壁厚的优化设计。

图3󰀁阀体的变形位移图

3󰀁阀体壁厚优化后阀体的有限元分析

由上面的分析过程可见,当主阀体壁厚为30mm,端法兰端阀体壁厚为12mm时,阀体壁上的应力值在20~100MPa之间,小于材料的许用应力122.5MPa。所以,首先将主阀体壁厚从30mm减为21mm,端法兰端阀体壁厚不变。然后,再进行端法兰端阀体壁厚的调节,壁厚为12mm的端法兰端阀体上应力最大值在90~110MPa之间,小于阀体材料的许用应力,因此,此处的壁厚还可适当减小。通过对阀体的有限元分析后,最后得出阀体壁厚与阀体上筋板的位置与尺寸的最优方案。整个分析过程中,各方案对应的阀体应力(许用应力为122.5MPa)的变化如下:当主阀体壁厚30mm,端法兰端壁厚12mm,无筋板时,阀体最大应力145.3MPa;当主阀体壁厚30mm,端法兰端壁厚12mm,端法兰与中法兰间的筋板厚度

第2期高平等:闸阀阀体的有限元分析󰀁93

为40mm,连接中法兰筋板高度为28mm,连接端法兰筋板高度为35mm。在厚度为40mm筋板两侧角度间隔30󰀁、60󰀁、90󰀁和120󰀁各设置厚度为10mm筋板,高度为30mm时,阀体最大应力136.9MPa,阀体壁应力100MPa以下;当将间隔30󰀁和90󰀁的筋板去除,即在厚度为40mm筋板两侧角度间隔60󰀁和120󰀁各设置厚度为10mm筋板,高度为30mm。与端法兰连接的厚度为40mm的筋板高度改为50mm,并将筋板与阀体连接处倒圆半径增大为10mm时,阀体最大应力135.9MPa,阀体壁应力100MPa以下;当筋板位置与尺寸确定,主阀体壁厚减小为21mm时,阀体壁应力50~115MPa;当筋板位置与尺寸确定,主阀体壁厚减小为20.5mm时,阀体壁应力60~120MPa;当筋板位置与尺寸确定,主阀体壁厚减小为20mm时,阀体最大应力121.3MPa;当筋板位置与尺寸确定,主阀体壁厚减小为19.5mm时,阀体最大应力138.8MPa;当主阀体壁厚不变,端法兰端阀体壁厚减小为11mm时,阀体最大应力125.4MPa;当主阀体壁厚不变,端法兰端阀体壁厚增大为11.5mm时,阀体最大应力124.0MPa;当主阀体壁厚不变,端法兰端阀体壁厚增大为11.75mm时,阀体最大应力121.9MPa。

最终的阀体优化设计方案为:主阀体壁厚为20mm,端法兰端阀体壁厚为11.75mm。端法兰与中法兰间的筋板厚度为40mm,连接中法兰筋板高度为28mm,连接端法兰筋板高度为50mm。在厚度为40mm筋板两侧角度间隔60󰀁和120󰀁各设置厚度为10mm筋板,高度为30mm。最终的阀体应力图如图4。

阀体经优化设计后,强度满足了要求,应力分布合理了,阀体重量减轻了,产品成本降低了。

图4󰀁最终的阀体应力图

4󰀁结论

采用人工建立有限元网格并计算的方法对阀门的强度与刚度、阀体应力及位移等进行分析,虽然也能实现阀门的设计,但计算方法工作量大,计算过程繁琐,计算的精确度也不高。利用了UG软件强大的CAD/CAE功能进行了闸阀的建模、阀体的有限元分析,从而对阀体尺寸和结构进行优化,可对分析结果进行直接的观察,不仅简化了工作过程,减少了计算量,而且提高了计算精确度。

参󰀁考󰀁文󰀁献

[1]李志尊,韩凤起.UGNXCAD基础应用与范例解析[M].北京:机械工业出版社,2004.180~199[2]马秋成.UGCAE篇[M].北京:机械工业出版社,2002.200~204

[3]王荣桥.UG零件设计进阶教程[M].北京:希望电子出版社,2002.504~515

CAEofGateValvebasedonUG

GaoPing,󰀁ZhengJun

(BeijingInstituteofMachineryIndustry,Beijing100085,China)

Abstract:Astheclosingequipmentonthetubeline,thegatevalveiswidelyapplied,rankingthefirsta-mongallvalveproducts.TakingtheadvantageofCAD/CAEpowerfulfunctionsofUGsoftware,afiniteelementanalysisofvalvebodyofgatevalveisrealized,andthedimensionandstructureofvalvebodyisoptimized.SinceUGsoftwareintegratesthefunctionsofCADandCAE,theentitymodelobtainedfrommodelingcanbedirectlyusedinfiniteelementanalysis,whichsimplifiesthewholeprocess,improvesefficiencyandshortenstheproductdesignperiod.

Keywords:gatevalve;UG;finiteelementanalysis

(责任编辑󰀁杨继成)