旋塞阀阀体的变形分析与结构优化

2014-08-20 雷林林兰州理工大学

　　为了解决旋塞阀阀体密封泄漏问题，采用在阀体外侧布置加强圈、加强筋的方法以降低阀体应力和变形。利用有限元模拟对比分析，并采用复合形法优化加强圈、加强筋结构。结果表明，优化后，阀体密封良好，阀体体积增加最小。

　　旋塞阀是最早被人们用来截流的设备，其应用广泛。目前，许多研究者对阀体变形及结构优化做了大量工作，但只是单纯的软件模拟计算。旋塞阀阀体是三通结构，把中腔看做主管，流道视为支管。由于阀体开孔处产生很高的应力集中，使密封面产生较大变形而导致密封泄漏。因此，为了降低应力集中和过大变形，可在开孔附近补强。以下通过在旋塞阀外壁布置加强圈、加强筋结构，并采用复合形法优化，以保证阀门的安全性和经济性。

1、数学模型

　　1.1、设计变量

　　在阀体流道开孔壁面上下各设置n道横向加强圈，在横向加强圈之间设置m道纵向加强筋。将所有加强圈、加强筋壁厚都设定为阀体壁厚。在开孔附近进行补强，故取n=1，m=4，则设计变量为4，上、下横向加强圈的宽度分别为h1、h2，纵向加强筋跨度β、高度H，如图1(a)、(b)所示.设计变量为X=[x1x2x3x4]T=[h1h2βH]T。

图1 阀体加强圈及加强筋结构

　　1.2、性能约束

　　(1)阀体强度

　　加强圈在其间距段的全面积上均匀地承受内压，将横向和纵向加强筋的壁厚等效均匀地分布到阀体上，取横向加强圈与纵向加强筋对阀体增加的当量壁厚的平均值为Δδ(X)，则

(1)

　　其中：δ为阀体壁厚(mm);θ1为阀体实际角度的一半(°)。三通结构阀体是薄壁管件，在内压作用下，除承受薄膜应力外(受到应力集中系数的影响)，还存在弯曲应力的作用。主管可看成受内压p及支管与阀体相贯线上受拉力q的共同作用。内压p产生的环向应力为

(2)

　　内压P产生的轴向应力为

(3)

　　其中：Dp为主管平均直径(mm);K1为应力集中系数。支管的单位长度拉力为

(4)

　　其中：dp为支管平均直径(mm);p1为密封比压(MPa);ro、ri分别为阀体密封面的外半径、内半径(mm)。

　　q可分解成主管径向力q′=qcosα1及环向力q″=qsinα1。它们所产生的环向及轴向应力可近似为

旋塞阀阀体的变形分析与结构优化

　　δ0为支管壁厚(与阀体壁厚δ相等)(mm);α1为q′与支管轴线的夹角(°);μ为泊松比。根据圆筒容器小开孔应力分析，开孔最大应力发生在α1=0处，将该值代入式(5)、式(6)，可得环向应力

旋塞阀阀体的变形分析与结构优化

　　根据最大剪应力强度理论：对于薄壁元件，径向应力为σ3(X)=σr(X)=0。比较式(7)、式(8)中，σθ(X)、σz(X)的大小，σθ(X)=σ1(X)。则当量应力为σd(X)=σ1(X)-σ3(X)≤[σ]。

　　(2)密封面变形

　　根据物理方程和几何方程，通过积分求得密封面处阀体变形如下：

　　其中：d为支管内径(mm);z为阀体高度(mm);r为阀体中径处半径(mm);K2为阀体除开孔处弧度;

　　εr(X)、εz(X)分别为径向应变、轴向应变;u(X)、υ(X)、w(X)、z(X)、f(X)分别为阀体径向变形、周向变形、轴向变形、阀体等效高度及总体变形(mm)。

　　1.3、目标函数及边界约束

　　(1)目标函数

　　加强圈和加强筋的体积若为ΔV(X)。要使ΔV(X)最小，必须满足性能约束的临界条件：①满足应力要求：σd=σ1-σ3=[σ]时，得到阀体增加当量壁厚δ1;②满足变形要求：f(X)=0.001DN时，阀体变形满足密封要求，得到阀体增加当量壁厚δ2，其中DN为阀体公称直径。则取Δδ(X)=max(δ1，δ2)，其最小体积为