连杆蝶阀流固耦合的应力场有限元分析

　　采用ANSYS Workbench 软件分析了连杆蝶阀型腔内流动受阻的实况及其过流件的受力情况。流场分析表明，蝶板随着开度的增加流阻系数逐渐降低。流固耦合分析表明随着开度的增加阀门所受应力减小，开度为20°时有小幅增加，最大应力大多发生在支撑主轴的阀体上。

1、概述

　　连杆蝶阀( 三杆阀) 具有启闭迅速，蝶板开启时密封面垂直开启，密封副之间没有相对滑动的优点〔1〕，特别适合于介质中含有固体颗粒的工况，如热风炉的烟道阀等〔2〕。但蝶阀开启时传动杆件和蝶板都处于流道内部，流体流动时会产生局部阻力，且局部阻力的分布复杂。为了研究连杆蝶阀的流动阻力，以及流动时过流件的受力情况，本文采用有限元流体分析技术，应用Workbench 软件研究了流动过程中的流场及流阻情况，同时对过流件的应力进行了流固耦合模拟，再现了阀门过流件的受力情况，为连杆蝶阀的设计提供了理论参考。

2、工作原理

　　连杆蝶阀由液压缸、曲柄、主轴、主动杆、蝶板、固定杆、连杆和阀体等零部件组成( 图1) 。

1. 液压缸2. 曲柄3. 主轴4. 主动杆5. 蝶板6. 固定杆7. 连杆8. 阀体

图1 连杆蝶阀三维实体模型

　　液压缸与曲柄相连，曲柄与主轴相连，主动杆一端通过固定销与主轴相连，另一端连接到蝶板上，固定杆通过主轴同阀体实现固结。连杆一端与固定杆连接，另一端与蝶板连接。工作时，液压缸带动曲柄，曲柄带动主轴转动，主轴带动主动杆，主动杆带动蝶板转动，其中连杆在蝶板转动过程中起到调节作用。蝶板在开启瞬间即蝶板与阀门之间的角度为0°时为平动，平动一段距离后蝶板开始转动，轨迹变成弧线，直至蝶板全开( 图2) 。

图2 蝶板运动轨迹

3、流体控制方程

　　流体在管路中流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。一般的可压缩流体守恒定律控制方程为

7、结语

　　应用Workbench 进行流场分析，得到了不同开度时的流阻系数。模拟结果表明流阻系数随开度的增大而减小，达到全开状态后由于结构变形会导致蝶板过开，流阻系数有所增加。流固耦合分析结果表明，随着开度的增加阀门所受应力减小，开度为20°时有小幅增加。最大应力一般发生在支撑主轴的阀体上。只有开度为70°、75°、80°时最大应力出现在主动杆上。全开状态下的最大应力出现在连杆上。