基于有限元法的阀门力学与密封性能分析

2013-06-14 陈天敏苏州纽威阀门股份有限公司

　　通过有限元分析方法，考虑各部件间的相互影响，建立闸阀系统级的三维非线性有限元模型。计算钛合金阀体、座圈与闸板在外载荷作用下的应力值和变形量，分析各部件的力学性能、密封性能以及扭矩的合理性，为进一步结构优化工作提供有效的参考依据。

一、前言

　　阀门的强度、刚度以及密封性能是阀门最重要的技术性能指标。在设计时要求必须具有足够的强度和刚度，以保证长期使用而不发生破裂或产生变形;要求阀门各密封部位有合理的密封比压，以保证密封部件不损伤而又能有良好的紧密度，以阻止介质泄漏。而基于经典力学理论的常规设计计算方法由于其固有的局限性，对于复杂几何结构、多载荷作用下的计算是无能为力的，即使对于受简单边界条件的结构，也会因为结构较复杂使得计算不准确，甚至与实际相差甚远。因此，基于有限法的数值模拟成为解决这些复杂问题的利器，很多学者及技术人员，对阀门单个零部件进行了有限元计算和结构分析。

　　本文以闸阀为对象，考虑部件之间的接触作用，建立起阀体、座圈与闸板一体化的三维非线性有限元模型，同时获得阀体、座圈与闸板各部件的应力与变形计算结果，以及能综合评价密封性能的座圈接触应力、座圈与闸板的间隙值等重要数据，据此分析各部件结构的合理性并提出结构优化思路。

二、闸阀结构计算分析

1.闸阀结构

　　由于本分析主要考察阀体、座圈与闸板等零部件的力学性能和密封性能，因此在三维建模时，忽略其他不考虑且对分析结果影响甚微的部件，通过三维建模软件SolidWorks建立如图1所示的三维几何模型。

图1 闸阀三维几何模型

　　阀体使用纯钛材料，其泊松比0.35，弹性模量为1.08×105MPa，约为钢的1/2，刚性差，易变形，屈服强度仅275MPa。阀门的关闭通过座圈与闸板之间紧紧挤压在一起，接触面形成大小适宜的压应力，以阻止介质的泄漏。

2.有限元计算模型

　　由于几何及载荷的对称性，取1/4模型进行有限元建模。利用强大的前处理软件HyperMesh建立三维有限元模型，模型采用SOLID95实体单元和TARGE170、CONTA174接触单元，为了提高计算精度，手工控制进行全六面体网格划分，共82456个单元，176324个节点。模型各部件之间的联系通过MPC约束，建立接触对的方法进行处理。建立的有限元模型及两个接触对单元如图2、图3所示。

图2 有限元模型

图3 接触对单元

　　建模时，阀体与座圈、座圈和闸板之间建立面-面接触模拟部件之间的相互作用。由于座圈与阀体是通过焊接连接，之间无相对滑动和穿透，为了减小系统方程求解的波前大小，采用MPC多点约束算法进行线性求解。而座圈和闸板之间存在有摩擦的滑动，接触状态是急剧变化的，属于状态非线性问题，根据实际情况及结果精度需要，采用增广拉格朗日算法非线性求解接触面的接触状态、接触应力和接触间隙。

　　本分析仅计算关闭工况，在进出口法兰端面进行全约束，中法兰端面进行Z轴向约束，同时施加对称约束，在阀体、座圈和闸板受压表面施加2MPa的均布压力，闸板推力2280N(1/4倍总推力)通过处理为面力作用在闸板上。

3.求解

　　有限元计算模型利用ANSYS牛顿—拉普森方法求解，为了增强求解的收敛性和提高计算精度，对自适应下降，线性搜索，自动载荷步进行必要的设置，同时，为了防止座圈与闸板接触分离，采取弧长方法迭代来帮助稳定求解。

4.计算结果与分析

　　计算在内压、闸板推力作用下的阀体变形量、应力强度，座圈的接触应力(比压)及应力强度、轴向变形量，闸板的应力、轴向变形及垂向移动量，座圈与闸板的间隙量等重要场量。从而考察各部件的强度与刚度性能、密封性能以及扭矩是否合理。

　　图4、图5分别为阀体的应力强度和变形云图，在内压及闸板推力作用下，阀体的变形主要是Y向(流道方向)的变形，这里主要考量座圈位置处的变形量(如图5中方框指示区域)，最大变形达0.0148mm，如图中所标示数值，这个数值仅是对1/4阀体而言，对整个阀体而言，座圈位置处Y向(即流道方向)的变形量为0.0148mm的两倍，即0.0296mm，在可接受的范围内，但偏大。阀体的圆角过渡区域由于变形挤压而引起以压缩应力为主的合成应力，最大应力强度值为52.4MPa，远远小于材料的屈服强度值275MPa，而且对大部分区域来说，无论是总应力强度还是薄膜应力强度大大小于52.4MPa，因此有足够的安全余量，且有很大的结构优化减重空间。