基于有限元法的閥門(mén)力學(xué)與密封性能分析
通過(guò)有限元分析方法，考慮各部件間的相互影響，建立閘閥系統級的三維非線(xiàn)性有限元模型。計算鈦合金閥體、座圈與閘板在外載荷作用下的應力值和變形量，分析各部件的力學(xué)性能、密封性能以及扭矩的合理性，為進(jìn)一步結構優(yōu)化工作提供有效的參考依據。
一、前言
閥門(mén)的強度、剛度以及密封性能是閥門(mén)最重要的技術(shù)性能指標。在設計時(shí)要求必須具有足夠的強度和剛度，以保證長(cháng)期使用而不發(fā)生破裂或產(chǎn)生變形;要求閥門(mén)各密封部位有合理的密封比壓，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(zhì)泄漏。而基于經(jīng)典力學(xué)理論的常規設計計算方法由于其固有的局限性，對于復雜幾何結構、多載荷作用下的計算是無(wú)能為力的，即使對于受簡(jiǎn)單邊界條件的結構，也會(huì )因為結構較復雜使得計算不準確，甚至與實(shí)際相差甚遠。因此，基于有限法的數值模擬成為解決這些復雜問(wèn)題的利器，很多學(xué)者及技術(shù)人員，對閥門(mén)單個(gè)零部件進(jìn)行了有限元計算和結構分析。
本文以閘閥為對象，考慮部件之間的接觸作用，建立起閥體、座圈與閘板一體化的三維非線(xiàn)性有限元模型，同時(shí)獲得閥體、座圈與閘板各部件的應力與變形計算結果，以及能綜合評價(jià)密封性能的座圈接觸應力、座圈與閘板的間隙值等重要數據，據此分析各部件結構的合理性并提出結構優(yōu)化思路。
二、閘閥結構計算分析
1.閘閥結構
由于本分析主要考察閥體、座圈與閘板等零部件的力學(xué)性能和密封性能，因此在三維建模時(shí)，忽略其他不考慮且對分析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，其泊松比0.35，彈性模量為1.08×105MPa，約為鋼的1/2，剛性差，易變形，屈服強度僅275MPa。閥門(mén)的關(guān)閉通過(guò)座圈與閘板之間緊緊擠壓在一起，接觸面形成大小適宜的壓應力，以阻止介質(zhì)的泄漏。
2.有限元計算模型
由于幾何及載荷的對稱(chēng)性，取1/4模型進(jìn)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，模型采用SOLID95實(shí)體單元和TARGE170、CONTA174接觸單元，為了提高計算精度，手工控制進(jìn)行全六面體網(wǎng)格劃分，共82456個(gè)單元，176324個(gè)節點(diǎn)。模型各部件之間的聯(lián)系通過(guò)MPC約束，建立接觸對的方法進(jìn)行處理。建立的有限元模型及兩個(gè)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(shí)，閥體與座圈、座圈和閘板之間建立面-面接觸模擬部件之間的相互作用。由于座圈與閥體是通過(guò)焊接連接，之間無(wú)相對滑動(dòng)和穿透，為了減小系統方程求解的波前大小，采用MPC多點(diǎn)約束算法進(jìn)行線(xiàn)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，屬于狀態(tài)非線(xiàn)性問(wèn)題，根據實(shí)際情況及結果精度需要，采用增廣拉格朗日算法非線(xiàn)性求解接觸面的接觸狀態(tài)、接觸應力和接觸間隙。
本分析僅計算關(guān)閉工況，在進(jìn)出口法蘭端面進(jìn)行全約束，中法蘭端面進(jìn)行Z軸向約束，同時(shí)施加對稱(chēng)約束，在閥體、座圈和閘板受壓表面施加2MPa的均布壓力，閘板推力2280N(1/4倍總推力)通過(guò)處理為面力作用在閘板上。
3.求解
有限元計算模型利用ANSYS牛頓—拉普森方法求解，為了增強求解的收斂性和提高計算精度，對自適應下降，線(xiàn)性搜索，自動(dòng)載荷步進(jìn)行必要的設置，同時(shí)，為了防止座圈與閘板接觸分離，采取弧長(cháng)方法迭代來(lái)幫助穩定求解。
4.計算結果與分析
計算在內壓、閘板推力作用下的閥體變形量、應力強度，座圈的接觸應力(比壓)及應力強度、軸向變形量，閘板的應力、軸向變形及垂向移動(dòng)量，座圈與閘板的間隙量等重要場(chǎng)量。從而考察各部件的強度與剛度性能、密封性能以及扭矩是否合理。
圖4、圖5分別為閥體的應力強度和變形云圖，在內壓及閘板推力作用下，閥體的變形主要是Y向(流道方向)的變形，這里主要考量座圈位置處的變形量(如圖5中方框指示區域)，最大變形達0.0148mm，如圖中所標示數值，這個(gè)數值僅是對1/4閥體而言，對整個(gè)閥體而言，座圈位置處Y向(即流道方向)的變形量為0.0148mm的兩倍，即0.0296mm，在可接受的范圍內，但偏大。閥體的圓角過(guò)渡區域由于變形擠壓而引起以壓縮應力為主的合成應力，最大應力強度值為52.4MPa，遠遠小于材料的屈服強度值275MPa，而且對大部分區域來(lái)說(shuō)，無(wú)論是總應力強度還是薄膜應力強度大大小于52.4MPa，因此有足夠的安全余量，且有很大的結構優(yōu)化減重空間。
圖4 閥體應力強度
圖5 閥體變形量
