中高壓法蘭蝶閥閥體結構強度的有限元分析

　　在中高壓法蘭蝶閥的設計過(guò)程中，對重要部件-閥體進(jìn)行有限元分析是現代閥門(mén)設計的主要方法。這里采用SolidWorks中集成的有限元分析軟件COSMOS，通過(guò)實(shí)例詳細的介紹了用COS-MOSXpress及COSMOSWorks，對中高壓法蘭蝶閥閥體結構強度進(jìn)行有限元分析的過(guò)程。得到的計算分析結果與實(shí)測數據相近，驗證了有限元分析的正確性。

1、引言

　　法蘭式蝶閥被大量應用在各行各業(yè)的工業(yè)管道上，法蘭蝶閥主要由閥體、蝶板、閥軸、驅動(dòng)裝置等組成，當蝶閥工作壓力在中、高壓范圍時(shí)(PN2.5～80MPa)，蝶閥的閥體內部承受的壓力較高�，F代的閥門(mén)設計中，蝶閥除了按設計標準及規范進(jìn)行設計外，還需對閥體進(jìn)行有限元分析計算。

　　介紹了依據通用閥門(mén)壓力試驗國家標準GB/T 13927-2008，對常溫下的中高壓法蘭蝶閥的閥體進(jìn)行靜壓條件下的強度分析，以及在額定工作壓力條件下產(chǎn)生的應力進(jìn)行有限元分析，并根據有限元分析結果，按照美國ASME鍋爐及壓力容器規范(國際性規范)第Ⅷ卷第二冊《壓力容器建造另一規則》中的強制性附錄4《以應力分析為基礎的設計》，對有限元計算結果進(jìn)行了分析討論和強度驗證，同時(shí)也通過(guò)對產(chǎn)品的實(shí)測驗證了有限元分析的結果。

2、分析軟件選用

　　CAE分析工具軟件能夠幫助產(chǎn)品設計師進(jìn)行產(chǎn)品的可制造性分析或者改進(jìn)設計環(huán)節，當前專(zhuān)門(mén)用于有限元分析的軟件有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC，但由于這些專(zhuān)業(yè)分析軟件與CAD脫節很?chē)乐�，即機械CAD功能相對較差，往往難以完成復雜模型的建模、出工程圖等設計工作，且對操作人員的要求也很高，只有專(zhuān)業(yè)的分析師才能使用，因此限制了在企業(yè)中的應用。而SolidWorks軟件擁有功能強大的機械CAD功能，并具有功能完善的應用插件，其中系統提供的分析產(chǎn)品COSMOS，包括了一系列分析應用軟件，如COSMOS Works有限元分析軟件、COSMOS Xpress點(diǎn)擊式分析向導等，并嵌入SolidWorks Office Premium中。集成到SolidWorks平臺下的COSMOS，解決了單獨環(huán)境下CAE在前后處理方面的問(wèn)題，同時(shí)還繼承了SolidWorks易學(xué)易用的特點(diǎn)。

　　應用SolidWorks軟件，可在產(chǎn)品設計的過(guò)程中進(jìn)行分析，并可根據分析結果，及時(shí)調整設計參數，可節省材料成本及開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，大大加快產(chǎn)品上市速度。本文選用SolidWorks軟件，對中壓法蘭蝶閥的閥體進(jìn)行有限元的分析。

3、利用COSMOS Xpress進(jìn)行強度分析

3.1、確定材質(zhì)

　　在COSMOSXpress中指定閥體的材質(zhì)為鑄造碳鋼，WCB鑄造碳鋼的力學(xué)性能參數，如表1所示。

表1 法蘭蝶閥閥體材質(zhì)WCB力學(xué)性能參數

3.2、定義約束條件

　　根據法蘭蝶閥的工作條件，法蘭蝶閥工作時(shí)是通過(guò)兩端的法蘭與管路連接，由蝶閥和管路上的法蘭密封水線(xiàn)部位加密封墊后，再通過(guò)螺栓旋緊連接。其約束在法蘭密封水線(xiàn)所在的平面和受螺栓軸向力作用的法蘭內側平面。當定義約束條件時(shí)，COS-MOSXpress會(huì )自動(dòng)添加到法蘭整個(gè)外端面，此時(shí)應根據實(shí)際約束情況，對約束的部位進(jìn)行重新編輯，如圖1所示。

圖1 定義約束條件

3.3、加載載荷

　　法蘭蝶閥在液體靜壓力狀態(tài)下，閥體內部作用力垂直作用在閥體的內壁上，根據國家標準GB/T 13927-2008的靜壓強度試驗條件，試驗壓力為額定工作壓力的1.5倍，添加載荷到閥體內腔，如圖2所示。

圖2 加載載荷

3.4、仿真分析

　　通過(guò)以上參數設置，運行分析后，得到分析結果，如圖3所示。從中可以得出此法蘭蝶閥閥體的最低安全系數為3.97461，此安全系數大于3，閥體壁厚尺寸及結構設計合理，不需要對閥體的結構參數進(jìn)行優(yōu)化設計。

圖3 COSMOS Xpress分析結果

4、利用COSMOS Works進(jìn)行有限元分析

4.1、蝶板開(kāi)啟狀態(tài)下

4.1.1、靜壓力下

　　與采用COSMOS Xpress分析時(shí)相同，對法蘭蝶閥閥體的進(jìn)行材質(zhì)設定，并根據蝶閥閥體工作狀態(tài)的分析，對約束進(jìn)行定義(與圖1相同)、加載載荷6.0MPa(與圖2相同)，并劃分網(wǎng)格，得到23974個(gè)單元、41676個(gè)節點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 對閥體進(jìn)行網(wǎng)格劃分

　　運行COSMOSWorks，得到分析結果，如表2所示。

表2 靜壓力下蝶板開(kāi)啟時(shí)COSMOSWorks分析結果

　　在蝶板開(kāi)啟的靜壓力狀態(tài)下，此時(shí)閥體上產(chǎn)生的最大應力為301.4MPa，發(fā)生在閥體上部與上法蘭連接的部位，節點(diǎn)22251處，應力云圖，如圖5所示。

圖5 蝶板開(kāi)啟時(shí)靜壓力狀態(tài)下的應力云圖

　　最大位移為0.015mm，發(fā)生在閥體上部與閥體承壓側法蘭連接的部位，節點(diǎn)33747處，位移云圖，如圖6所示。

圖6 蝶板開(kāi)啟時(shí)靜壓力狀態(tài)下的位移云圖

　　按照美國ASME鍋爐及壓力容器規范(國際性規范)第Ⅷ卷第二冊《壓力容器建造另一規則》中的強制性附錄4《以應力分析為基礎的設計》，閥體受內壓時(shí)，內壁在壓力作用下向外產(chǎn)生變形，其最大應力點(diǎn)的等效應力為301.4MPa，此應力強度是由一次薄膜應力PL和一次彎曲應力Pb疊加而成，而根據設計規范，此應力強度不得超過(guò)試驗溫度下材料屈服強度σs的135%。WCB的σs為248.2MPa，計算得到：

　　248.2×1.35=335.34>301.4MPa

　　應力符合設計要求。

　　最大位移為0.015mm，由于WCB的延伸率較高，位移符合設計要求。

4.1.2、額定工作壓力下

　　在額定工作壓力下，并且蝶板開(kāi)啟時(shí)，運行COSMOSWorks，得到分析結果，如表3所示。

表3 額定壓力下蝶板開(kāi)啟時(shí)COSMOSWorks分析結果

　　在額定工作壓力下，蝶板開(kāi)啟，閥體上產(chǎn)生的最大應力為200.9MPa，發(fā)生在節點(diǎn)22251處，應力云圖，如圖7所示。

圖7 蝶板開(kāi)啟時(shí)額定工作壓力狀態(tài)下的應力云圖

　　最大位移為0.0098mm，發(fā)生在節點(diǎn)33747處，位移云圖，如圖8所示。

圖8 蝶板開(kāi)啟時(shí)額定工作壓力狀態(tài)下的位移云圖

4.2、蝶板關(guān)閉狀態(tài)下

　　在額定壓力工作狀態(tài)下，當蝶板全關(guān)時(shí)，閥體的密封圈一側的承壓方向部分受載。此時(shí)的約束情況與圖1相同。不考慮水錘的影響，在閥體的密封圈承壓一側加載載荷，如圖9所示，并劃分網(wǎng)格，得到23974個(gè)單元、41676個(gè)節點(diǎn)。運行COSMOSWorks，得到分析結果，如表4所示。

圖9 在閥體密封圈承壓一側加載載荷

　　表4 額定壓力下蝶板關(guān)閉時(shí)COSMOS Works分析結果

　　最大應力為154.0MPa，發(fā)生在節點(diǎn)22251處，應力云圖如圖10所示。

圖10 蝶板關(guān)閉時(shí)額定工作壓力狀態(tài)下的應力云圖

　　最大位移為0.0095mm，發(fā)生在節點(diǎn)33747處，位移云圖，如圖11所示。

圖11 蝶板關(guān)閉時(shí)額定工作壓力狀態(tài)下的位移云圖

　　額定工作壓力下的強度條件為PL+Pb≤σs，最大應力154.0MPa<248.2MPa;最大變形位移為0.0095mm，可見(jiàn)最大應力與最大位移發(fā)生的位置與蝶板開(kāi)啟狀態(tài)下完全相同，可見(jiàn)，此時(shí)應力及變形均符合設計要求。

5、實(shí)測結果比較

　　對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行應變實(shí)測，在閥體應力較大處貼電阻應變片，采用電測法并貼溫度補償片，組成單臂電橋進(jìn)行測量，得到實(shí)測結果。COSMOS分析計算應力結果與實(shí)測應力結果，如表5所示。從中對比得出實(shí)測結果與計算結果比較接近。

表5 計算應力與實(shí)測應力對比

6、結語(yǔ)

　　通過(guò)采用COSMOSXpres及COSMOSWorks有限元分析，均可以得出該閥體應力及位移符合設計要求。按照國家標準及ASME以應力分析為基礎的設計規范進(jìn)行分析討論，該閥體結構設計參數合理，閥體強度安全。該計算分析數據與實(shí)測數據誤差小于6%，實(shí)測結果與有限元計算結果比較接近，證明有限元分析是合理可行的。

　　需要注意的是，對閥體進(jìn)行有限元分析還可能出現兩種結果，一是有限元分析的結果顯示閥體強度不夠，此時(shí)則必須立即更改閥體設計參數，重新建模，再進(jìn)行分析，直至滿(mǎn)足要求為止。二是有限元分析結果顯示安全系數過(guò)大，則表示設計過(guò)于保守，在這種情況下，可調整閥體的結構參數，使其在滿(mǎn)足設計要求的前提下，結構更合理、重量更輕。但是，在根據COSMOS有限元分析結果進(jìn)行設計參數的調整時(shí)，還要充分考慮到閥體材質(zhì)、鑄造以及加工等多方面的影響，分析結果要留有合適的安全余量。

　　利用SolidWorks軟件以及集成的COSMOS有限元分析軟件，可方便的實(shí)現對重要部件的邊設計、邊分析，可根據設計及試驗規范，及時(shí)調整設計參數，得到最合理的結果，大大縮短了產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)周期。