闸板的有限元力学分析

2013-05-20 李乃禾西南石油大学

　　本论述建立了105Mpa平行闸板阀的闸板模型，运用有限元分析软件对闸板进行了网格划分、约束、加载，对计算结果进行了分析，得出所设计闸板能满足工况要求的结论，为高压闸板阀的闸板设计提供了理论依据。

　　闸板是平行闸阀最重要的零件，闸板在开启关闭的过程中受到关闭过程流体对闸阀的冲击作用以及阀杆对闸阀拉伸作用，因此，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过对阀板进行有限元力学分析，了解其应力应变分布规律，对改善闸板受力情况，改进其结构以及提高闸板的工作可靠性和使用寿命具有重要意义。

1、闸板的三维有限元模型

　　由于闸板模型结构比较简单，对其整体结构采用C3D4四面体单元对其进行网格划分，其中在压力作用面上进行了细化，共划分18981个节点，96777个单元，其网格模型见图1所示。

图1 阀板三维实体单元网格模型

2、初始边界条件

　　根据阀板的实际工作情况，闸板在全关状态下的受力最大，达到了105MPa，且其约束主要时通过阀座与闸板之间的摩擦力来进行固定，因此，对阀座与闸阀之间的接触面进行了位移全约束，见图2所示。

图2 施加约束后的阀板

3、载荷和工况

　　由于闸板在全关时，受到了105MPa的压力，并且在关闭的瞬间，闸板上端受到105Mpa压力产生的摩擦力，阻止闸板的移动，因此，本论述对闸板施加两种载荷：一是作用在圆域上的105MPa的压力;二是丝杆螺母传递给闸板的拉力，其受力情况见图3所示。

图3 施加载荷后的阀板

4、有限元计算结果及分析

　　通过对闸板在全关状态工况下的分析，确定此时闸板处的所受到的压力最大，并以此作为边界条件对闸板的应力状态进行有限分析，见图4所示。

图4 阀板整体的Mises应力图

　　为了能更准确的观察闸板内的应力状况，取闸板的半剖图(见图5所示)以及局部放大图(见图6所示)，以便能直观的观察闸板内的应力分布情况。

图5 阀板内部Mises应力图

图6 阀板位移应力图

　　通过以上的分析可知，整个闸板所受到的应力主要在集中在26-220MPa范围内，且大部分都处在低应力区，而在梯形螺纹孔处和加润滑脂孔以及闸板安装丝杆螺母处出现应力集中，其应力集中处最大应力值为281.7MPa。

　　为了能够更好的了解闸板的应力分布情况，通过取应力集中区域三种不同的路径a、b、c(见图7所示)，来对路径上的应力大小进行分析。

图7 三种不同路径a、b、c

　　通过选取以上应力集中处的三种不同路径，取出各路径上的应力值，从而能够更好的了解轴承支架处的应力载荷情况，将其绘制成一条曲线，进而将集中处的应力分布形象地表示出来，见图8、9、10所示。

图8 路径a下的应力曲线和位移曲线

图9 路径b下的应力曲线和位移曲线

图10 路径c下的应力曲线和位移曲线

　　从以上三种不通过路径下的应力曲线图可以看出，这些集中区域的应力大都在200MPa以上，属于闸板所受应力值较大区域，并在路径c处产生了应力集中最大值为281MPa。闸板选材为50CrVA，其相关参数为：σb=1280MPa=σs1130MPa，取σb/4.25和σs/2.3中的较小者，得到许用应力[σ]为301.17MPa>281MPa。