基于Solidworks Simulation对阀体总体一次薄膜应力求解技术路线探讨

　　通过对阀体总体一次薄膜应力的理解，运用Solidworks 对阀体数模进行建立并应用Solidworks Simulation 对阀体数模进行网格及边界条件加载，经求解后所得应力值，应用Excel 表格分析技术对提取应力线性化后求解出阀体总体一次薄膜应力。

1、概述

　　总体一次薄膜应力是在阀门设计过程中一个关键的计算数据，其保证了阀门承压部件压力边界的完整性，其应力评定的准则应满足相应的法规及标准的规定。本文结合三维建模软件Solidworks 进行阀门阀体实体数模建立，并运用Solidworks Simulation有限元分析软件对数模进行网格划分、边界条件加载及强度分析，将应力分析结果数据导入到Excel 表格中提取总体一次薄膜应力。

　　压力载荷下产生的一次总体薄膜应力是最基本的应力，是为平衡压力载荷所产生的，这种应力如超过材料的许用应力达到材料的屈服点，则容器产生很大的变形( 径向膨胀) ，如不计壳体材料的应变强化效应，则壳体材料会发生塑性流动，导致容器爆破。这种破坏是在一次加载条件下就发生的。

2、有限元分析

　　随着计算科学的发展，原来得不到解析的复杂结构应力可以用有限元法求解，能够得到各部分比较准确详细的应力计算结果，为运用应力分类方法进行分析设计提供了基础。计算机技术的发展为有限元法的应用提供了有利条件。

　　分析设计是以板壳理论方法计算出的应力为基础进行应力分类，板壳理论属于应用弹性力学范畴，是对某些问题做了工程上允许的简化和假设处理后再用弹性力学方法的求解。而有限元法属于弹性力学的范畴，是弹性力学的一种粗化方法。

　　2.1、建立数模

　　建立模型是有限元分析的第一步，模型生成的目的是建立能真实反映实际设计原型的数学模型。有限元建模为数值计算提供所有原始输入数据。这里先对阀体建立实体几何模型，在此基础上建立有限元模型。

　　根据阀体图纸尺寸，利用Solidworks 软件实体建模模块对阀体整体建立参数化分析模型( 图1) 。并对分析模型应用材料属性，弹性模量取1.9kN /m²，泊松比取0.3。

图1 阀体立体数模

　　2.2、划分网格

　　网格划分就是将实体模型进行离散，在此之前必须指定所分析对象的特征，包括材料属性、单元类型、实常数的定义选择。

　　单元的划分遵循“均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划”的原则。在阀体上，网格应细划的位置是阀体的入口处与阀体中腔的交界处。网格粗划的位置是阀体的大部分与阀体上的筋板等部位。为保证有限元计算结果的可靠性，单元网格划分尺寸设定不大于阀体的最小壁厚值。应用SolidworksSimulation 对阀体指定网格尺寸，采用四面体自适应网格技术，进行实体网格划分，雅可比为4 点，节点数为35 466，共计23 357 个单元( 图2) 。

图2 阀体实体网格划分

　　2.3、受力分析及载荷加载

　　根据实际受力情况施加边界条件及载荷( 图3) ，对阀体进出口端面进行固定，对阀体内部施加10. 0MPa 内压载荷。

　　2.4、应力结果

　　静力分析后，处理的步骤主要包括绘制变形图、变形动画、支反力列表、应力等值线图和网格密度检查。

　　运行Solidworks Simulation 求解器进行应力求解，根据一次和二次应力的分类原则，由应力云图可以看出需对阀门的通径处进行总体一次薄膜应力求解。绘制并提取支撑线段上29 个应力值( 图4) 。

3、总体一次薄膜应力求解

　　总体一次薄膜应力需要对主应力进行等效线性化处理。等效线性化就是把实际应力曲线用静力等效的办法做线性化处理。

图3 对阀体施加边界条件及载荷

图4 提取支撑线段上应力

　　(1) 确定应力校核线。一般选在几何不连续的部位、厚度或曲率变化的部位以及开孔、接管等局部不连续的地方，应当包括五类应力的最大值可能出现的地方，也应选择连接所选危险部位两个表面间的最短线。

　　(2) 按静力等效原理，将应力沿校核线做线性化处理。即用一个等价的线性化应力分布代替实际应力分布。处理后，由合力等效得出的沿断面均匀分布的平均应力属于薄膜应力，由合力矩等效得出的沿断面线性分布的属于弯曲应力，其余的为非线性部分。

　　总体一次薄膜应力存在整体不连续区域之外或载荷作用的不连续区域之外，是沿基准平面支撑线段上的正应力平均值，即由轴向薄膜应力、环向薄膜应力、径向薄膜应力及3 个平均剪应力导出。因此需对分析应力结果按照相关规范要求进行线性化处理，然后提取该线性上的正应力，并对应力强度求解。所谓应力强度就是某点最大剪应力的两倍。本文结合Excel 表格绘制功能，导入Solidworks Simulation中支撑线段上的应力值( 表1) 。

表1 Solidworks Simulation 中支撑线段上的应力值(部分) MPa

图5 Excel 中绘制应力线性化曲线

　　图5 由6 条应力曲线组成，包括支撑线段上的3 个主应力曲线及其形成的3 条膜应力曲线。根据形成的曲线计算出应力强度，可以得到支撑线段处总体一次薄膜应力不超过20MPa。

　　按规则设计是以弹性失效设计准则为基础，将总体部位的最大设计应力限制在材料的屈服点以下，保证总体部位始终处于弹性状态而不会发生弹性失效。

　　应用压力面积法对总体一次薄膜应力进行求解，其值为不超过15MPa，考虑到阀门结构的不连续性，运用有限元求解出的应力更加准确。

4、结语

　　通过Solidworks Simulation 求解应力及Excel表格制作功能提出了阀体应力线性化的技术路线，实现了相关标准对阀体一次应力求解的有限元方法，同时也给出了基于Solidworks Simulation 应力线性化的方案，实现了总体一次薄膜应力在Solidworks中的求解。