不锈钢球阀

固定球阀球体的分析与研究

2019-07-05

一.计算说明 以口径900LB球阀为例,具体阐述球体的分析方法,结构简图如图1。 计算软件采用美国PTC开发的有限元软件Pro/MECHANICA。绝大部分有限元软件的几何建模功能比较弱,这些有限元软件通常通过IGES格式或STEP格式进行数据交换,而这样做容易造成数据

一.计算说明
    以口径900LB球阀为例,具体阐述球体的分析方法,结构简图如图1。
    计算软件采用美国PTC开发的有限元软件Pro/MECHANICA。绝大部分有限元软件的几何建模功能比较弱,这些有限元软件通常通过IGES格式或STEP格式进行数据交换,而这样做容易造成数据丢失,常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作,而PRO/MECHANICA可以实现和Pro/ENGINEER的完全无缝集成,可以直接利用Pro/ENGINEER的几何模型进行有限元分析。
图1球阀结构简图
    图1球阀结构简图
二.分析计算

1.球体的静力学分析
    (1)分析计算的前期处理根据实际的泵验情况,密封试验采用双面打压的泵验方法,即载荷对称,根据球阀的具体结构,易知约束也是对称的,对于球体模型本身其结构近似对称,上下半球的不同之处仅在于有无阀杆连接槽,现取模型的1/8,含有阀杆连接槽部分作为分析计算对象.则计算后的结果相当于模型的上下轴均开有阀杆连接槽,计算结果将比实际情况偏大少许,即实际的球体受力状况要略好于计算结果,符合安全性的原则。
    对称面上分别加载对称约束,球体的静压面上施加静压力p=16.5MPa,密封面上施JJIll/4倍的阀座相当推力,=50 260N。设定模型材料为不锈钢并分配于模型,网格由AutoGEM工具自动划分。
    (2)计算结果的评价与分析计算结束后,Von—Mises应力显示结果如图2所示,根据图示结果可知:球体内通道的上、下及侧面区域为高应力区,其值约为205MPa,显然已高于材料的许用应力。但是仍在材料的屈服应力值以下,即整个球体仍然表现为弹性变形,不至于泵验时产生不可恢复的塑性变形而引起密封泄漏。但是设计时应注意球体的安全性及使用寿命,建议留有更大的余量,以防止球体在使用过程中过早地发生疲劳破坏。
    最大、最小主应力矢量显示结果如图3所示,由图可知:最大主应力的最大值存在于球体内通道的侧壁,为拉应力,其值大小约为200MPa,最小主应力的最大值存在于球体内通道的上,下壁,为压应力,其值大小约为210MPa。
    变形结果如图4所示,由图可知:位移最大值发生区域为球体内通道与球面相交处的通道的上下面和侧面,其中上、下面表现为隆起,侧面表现为沿阀座压力方向凹陷,在环形通道上整体表现为通道椭圆变形。
图2 Von·Mises应力
    图2 Von·Mises应力
图3应力矢量
    图3应力矢量
图4变形结果
    图4变形结果

2.球体的灵敏度分析
    对于零件模型本身,有多个尺寸参数组成,由于受到空间和结构的限制,有些尺寸参数不能任意地改动,有些尺寸参数仅能做小范围的变动,而其余的尺寸参数可以大范围地任意改动,但是产品设计的最终目的是用最低的成本获得最好的零件性能,因此,就存在着一个零件的优化问题,即调整哪些参数尺寸更能使零件获得最佳效果,而对于这些设计参数,如果都用于优化设计,必然导致计算量过于庞大,费时、费力,也没有必要。研究可以发现,不同的设计参数对模型性能的影响程度是不同的,如果能定量或定性地表示这种影响程度。就能确定哪些是重要的设计参数,哪些是次要的,抓住事物的主要矛盾,从而提高优化设计的效率,灵敏度分析就可解决这个问题。所以灵敏度分析就是研究特定的参数对模型性能的影响情况。
    根据球体的结构特点,选出其中4个设计参数(D.d.t。、t2)分别进行灵敏度分析。因静力学计算结果中已知球体的最大应力分布情况,为了使灵敏度分析更有目的性,可在最大应力区建立一测量点WJHI,从而针对这一点的应力情况进行分析。所列灵敏度的计算结果为:所选设计参数对测量点WJHI的应力影响情况。分别建立分析任务后,4个设计参数的计算结果分别如图5、图6、图7和图8所示。
图5 D参数计算结果
    图5 D参数计算结果
图6 d参数计算结果
    图6 d参数计算结果
图6 t1参数计算结果
    图7 t1参数计算结果
图8 t2参数计算结果
    图8 t2参数计算结果
    分别比较几个设计参数的计算结果可知:球体的直径口对球体性能的影响最为显著,其次为轴径d和球体在对称面上的厚度t。.厚度t:对测量点应力影响不是太明显。
    所以,为了使泵验时球体的最大应力值处于安全值以下,设计时首先考虑的参数应该是球体的直径D,其值对球体的力学性能影响相当明显,如果是结构不允许,则应优先考虑调整球体轴的直径d,其次为参数{t。,对于参数f:可不作为主要的调整对象。
    另外。值得一提的是,球阀的密封面内径在阀门关闭状态直接决定了球体所受液体静压面的大小,其值的大小直接影响到球体所受静压力值,故在能满足设计要求的情况下,应该尽量地减小密封面内径。以改善球;体的受力状况。
    由于篇幅所限,其他参数对球体的影响情况本文不再阐述。设计人员可根据自己的设计经验及力学知识自行调整。
三,结语
    在设计固定球阀的球体时,为了使球体在管线上正常工作时的最大应力值低于材料的许用应力,出于安全性考虑,首先应该顾及到球体本身的力学性能,球体直径尺寸不能太小,起码应能满足产品力学性能的要求,然后再考虑降低成本及其他方面的问题。