眼镜式插板阀左阀体的ANSYS有限元分析
阐述了综合运用有限元分析软件ANSYS对眼镜式插板阀左阀体结构进行强度和刚度分析，为插板阀的结构设计及优化奠定一个良好的基础。
一、前言
有限元这一概念早在20世纪40年代就已提出，50年代初曾将这种方法用于结构设计。它可用来分析产品在工作环境中的受力变形、振动及运动的情况，首先应用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推广应用于机械、建筑、造船等工程部门。
有限元方法(Finite Element Method,FEM)是一种借助计算机进行工程分析的离散化数值方法，是CAD和CAE之间不可或缺的连接桥梁。有限元法是一种数值近似解法，可以处理复杂的产品结构，且计算精度高。用CAE方法可以避免在物理测试上消耗时间和物力，可以用任意方法对实体模型进行评估，及早发现设计缺陷并加以排除。有限元法是将所要计算的复杂结构划分为有限的许多有规则小块，称为单元。每个单元都具有易于计算的简单形状，如矩形、三角形等，单元之间通过有限个节点相互连接。系统对每个单元都建立单元刚度方程，并建立结构总体的刚度方程。由结构边界条件进行求解，得出结构中各个位置的参数值。进行有限元计算，主要分为建立几何模型、划分网格、计算、结果显示几个步骤。
ANSYS有限元分析软件是目前最为通用有效的商业有限元软件之一，应用它对零部件进行强度、刚度以及结构优化分析是十分便利的。在产品设计中，用户可以使用ANSYS有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率。对于某一具体工程问题，为了使分析结果接近于实际，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为首先要用有限元模型准确地描述出零部件的几何形态;其次，必须正确地描述零部件在工作过程中的负载情况和相应部件之间的相互影响和制约关系(及边界条件);最后，需正确评价刚度和强度的分析结果。现以眼镜式插板阀为例，对有限元在阀类元件中的应用做一研究探讨。
二、眼镜式插板阀简介
眼镜式插板阀是安装于室外煤气管道的插板式煤气隔断阀。工作时为常开式，高炉休风时，眼镜式插板关闭，切断煤气管道。由于该阀门结构简单，重量轻，密封效果好，在冶金系统的煤气管道上得到了广泛应用。
插板阀(如图1所示)通常由左阀体、右阀体、阀板、丝杠、丝杠螺母、波纹膨胀节和驱动装置等部件组成。阀板由通板和盲板组成，以控制介质的流通和截断。右阀体与波纹膨胀节焊接在一起或通过螺栓连接在一起，右阀体通过底部的支撑轮以实现密封传动过程中的水平移动。驱动装置带动6根丝杠同时旋转，由丝杠螺母带动右阀体水平移动，使阀体密封面压紧阀板上的0形圈，阀门实现密封。
图1 眼镜式插板阀
三、眼镜式插板阀左阀体的有限元分析
1、问题的提出
插板阀在工作过程中，阀体承受一定压力，如果强度不够，很容易发生爆裂，后果不堪设想。由于阀体结构复杂，采用常规的解析算法无法满足工程实际需要，因此采用有限元分析的方法对阀体进行分析更能满足设计需求，此次分析的目的主要是验证左阀体两支撑板的强度和刚度是否满足设计要求，以便更有效地对阀体机构进行改进。
进行有限元计算所采用的几何模型通常不同于实际的产品结构。因为实际的产品结构中有许多对产品性能没有多大影响的复杂细节结构，如圆角、连接孔等，而这些结构在有限元计算中却非常复杂，不仅在网格划分中会产生一些畸形网格单元，引发划分网格出错，而且在计算中也会占用大量时间。因此，在进行有限元计算时，需要根据产品结构、工作特点和求解内容等因素，进行合理简化建立有限元计算的几何模型。
2、基本参数设置
基本参数如下表所示。
表 基本参数
3、左阀体模型的创建
在ANSYS中通常有两种建模方法：实体建模和直接生成。实体建模是先创建由关键点、线段、面和体构成的几何模型，然后利用ANSYS网格划分工具对其进行网格划分，生成节点和单元，最终建立有限元模型的一种建模方法，该法适用于建立复杂的模型，节点和单元数量多，别是3D实体建模;直接建模方法是在ANSYS显示窗口直接创建节点和单元，模型中没有实体(点、线、面)出现，此法适用于小型或简单模型的创建，且要求手工处理大量数据，容易出错。
考虑阀体的结构特点，故采用实体建模方法进行左阀体模型的创建。模型创建过程中大量使用了镜像操作，从而大大简化了操作步骤;另外由于阀体各部件之间都是焊接，故模型之间直接采用黏接即可满足设计要求。
4、网格划分
通过设置单元尺寸大小，采用自由网格划分的方法，得到了比较理想的左阀体网格模型。阀体共划分为16424个节点和52307个单元(如图2 所示)。
图2 左阀体三维模型
5、确定约束条件
由于左右阀体是由上下两顶板焊接相连，左阀体两支撑板的变形情况是分析重点，故将两顶板作为约束条件，并限制其上的节点，即在分析时不能有位移。
6、确定载荷分布
在左阀体端法兰上，作用有两种力，一种是来自丝杠加紧的力，大小为2MPa，另外一种是煤气在盲板上所产生的压力，大小为0.6MPa，故左阀体端法兰上共作用有大小为7.45MPa的力(如图3所示)。
图3 左阀体载荷分布及约束条件
7、求解及结果分析
对已建立好的有限元模型施加边界条件和载荷之后，使用ANSYS求解器对模型求解，求得该工况下模型的力学解。各部位的应力、应变和变形的最大位移是关键点。选定这几个参数作为结算参量，在后处理中加以显示和输出(如图4所示)。
图4 分析结果
(a)左阀体应力分布图 (b)左阀体应变分布图(c)位移云图
三、结论
根据应力、应变及位移分布云图的分析结果，可得到如下结论。
1、当盲板截断煤气时，左阀体内产生的最大应力为268MPa，最小应力为4.6MPa，两支撑板的最大变形量为5.168mm，基本满足设计要求。
2、分析结果表明，若想减小两支撑板的最大变形量，仅靠增加两支撑板厚度、肋板厚度以及顶板厚度得不到明显的效果，只能通过进一步优化结构来增强左阀体的强度和刚度，以保证整个插板阀的正常工作。
