CAE技術(shù)在截止閥設計中的應用探討
運用CAE技術(shù)對空調用截止閥的各項性能進(jìn)行模擬，獲得結構應力狀態(tài)。從分析結果可知：截止閥在各性能試驗工況中最大應力都不高，不存在強度不足的風(fēng)險；而在裝配過(guò)程中螺母擰緊時(shí)，截止閥的應力水平較高，可能存在強度不足的風(fēng)險；增大過(guò)渡區域的圓角半徑可以改善結構的變形，降低最大應力值。
隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機輔助設計技術(shù)已經(jīng)成為現代設計方法的主要手段和工具。CAD/CAE技術(shù)在機械行業(yè)已得到廣泛應用，其中CAE技術(shù)目前已成為企業(yè)實(shí)現創(chuàng )新設計的重要保障。
在閥門(mén)制造業(yè)中，由于其產(chǎn)品結構相對較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短，導致市場(chǎng)競爭異常激烈。為提高競爭力、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，越來(lái)越多的企業(yè)已經(jīng)認識到CAE技術(shù)的優(yōu)勢，即利用CAE技術(shù)可以在設計前期發(fā)現并修改設計缺陷，減小實(shí)樣制作和試驗的重復次數，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，提高市場(chǎng)競爭力。筆者以某空調截止閥為例，運用CAE技術(shù)模擬截止閥各性能試驗狀態(tài)和安裝受力狀態(tài)，以獲得截止閥結構的應力水平，確認結構是否存在強度不足的風(fēng)險。
1、截止閥的性能要求
JB/T10648—2006《空調與冷凍設備用制冷劑截止閥》要求，截止閥主要性能要求有耐壓強度、破壞強度、密封性、耐久性、耐高溫、耐低溫、耐冷熱循環(huán)、耐振動(dòng)、耐沖擊等。這些性能要求都需要通過(guò)相關(guān)試驗驗證。而這些性能試驗大部分可以運用CAE進(jìn)行模擬，進(jìn)而預測截止閥的性能狀態(tài)。
2、有限元模擬
2.1、模型
圖1所示為截止閥的CAD模型，包括蓋帽螺母、閥座、閥芯、接管和接管螺母等。圖2所示為截止閥的有限元模型。閥座以0.5mm 的基本尺寸進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。截止閥總成模型的體單元數量為149606個(gè)，節點(diǎn)數為172609個(gè)。
2.2、材料
由于本次分析主要關(guān)注閥座的變形狀態(tài)，而且閥座相對于閥芯、螺母結構是較弱的，所以閥座材料考慮材料非線(xiàn)性，其他材料只考慮線(xiàn)性。
閥座材料屬于塑性材料，其應力-應變曲線(xiàn)數據可以通過(guò)拉伸試驗獲得�？紤]到保密性問(wèn)題，未將材料的應力-應變數據在本文中列出。
2.3、分析工況
參照JB/T10648—2006，除密封性和應力腐蝕等幾項不能模擬外，其余都可以運用CAE進(jìn)行模擬。所以可以按照性能要求確定分析工況和載荷，另外須考慮截止閥在裝配過(guò)程中的變形情況。
由于篇幅限制，筆者只選取幾個(gè)典型的工況說(shuō)明CAE的應用情況。選取破壞強度試驗、耐高溫性能試驗和安裝時(shí)螺母擰緊狀態(tài)等工況。
2.4、破壞強度模擬
1)性能要求：在5倍最大工作壓力下，閥的各部位應無(wú)破損。
2)試驗條件為閥座固定，加載5倍的最大工作壓力。對于DG4最大工作壓力為3MPa，破壞強度試驗時(shí)載荷為15MPa液壓。
3)有限元模型：在2個(gè)安裝孔中約束x，y 和z 向平動(dòng)自由度，然后在閥座和接管內表面施加15MPa的壓強。
閥芯與閥座間運用TIE接觸方式模擬螺紋連接，蓋帽、螺母與閥座間通過(guò)共節點(diǎn)方式模擬螺紋連接，在接管與閥座間的焊縫連接通過(guò)剛性單元BEAM 簡(jiǎn)化模擬。如圖3所示。
圖3 約束和加載示意圖
4)分析結果
圖4 應力(MPa)分布云圖經(jīng)求解計算后，應力分布結果如圖4所示。從圖中可以看出，最大應力出現在閥座內表面處，且高應力區域只出現在尖角上很小的區域內，最大應力值為106.2MPa，其余應力都較小，最大應力小于材料屈服極限192MPa，即閥座仍處于彈性變形階段，結構中的塑性應變?yōu)?MPa，所以閥座不會(huì )出現永久變形，截止閥在這種工況下，強度滿(mǎn)足設計要求。
2.5、耐高溫性能模擬
1)性能要求：在規定的條件下，經(jīng)120℃高溫試驗后，閥的密封性應符合密封性要求。
圖4 應力(MPa)分布云圖
2)試驗狀態(tài)：閥處于全開(kāi)狀態(tài)，按規定力矩擰緊螺母，充入混合介質(zhì)后，將各口封閉，放入120℃±2℃恒溫箱96h，取出冷卻到室溫，檢查其密封性。
3)約束和載荷：由于內部混合介質(zhì)材料的熱脹冷縮性能參數不易獲得，且由于閥座內部的液體壓力較小，液體熱脹冷縮對閥座影響較小，分析時(shí)忽略閥座內部液體的作用，只考慮實(shí)體結構的熱脹冷縮變形。
有限元模型如圖5所示，模型中不考慮密封圈，將螺栓安裝孔處完全約束，施加整體的溫度場(chǎng)載荷。
3、結束語(yǔ)
通過(guò)運用CAE技術(shù)模擬截止閥結構一些性能要求的工況以及安裝過(guò)程中可能出現的受力狀態(tài)，可以方便地獲得結構的應力分布和變形狀態(tài)，從而可以知道哪些狀態(tài)下結構受力狀態(tài)較為惡劣、結構薄弱區域及其改進(jìn)和優(yōu)化方向。對于截止閥一些性能要求的試驗工況，結構應力水平都不高。而在安裝過(guò)程中，結構容易出現較大的應力，存在結構強度不足的風(fēng)險。
