通過對閥體總體一次薄膜應(yīng)力的理解，運(yùn)用Solidworks 對閥體數(shù)模進(jìn)行建立并應(yīng)用Solidworks Simulation 對閥體數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格及邊界條件加載，經(jīng)求解后所得應(yīng)力值，應(yīng)用Excel 表格分析技術(shù)對提取應(yīng)力線性化后求解出閥體總體一次薄膜應(yīng)力。

1、概述

　　總體一次薄膜應(yīng)力是在閥門設(shè)計(jì)過程中一個關(guān)鍵的計(jì)算數(shù)據(jù)，其保證了閥門承壓部件壓力邊界的完整性，其應(yīng)力評定的準(zhǔn)則應(yīng)滿足相應(yīng)的法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。本文結(jié)合三維建模軟件Solidworks 進(jìn)行閥門閥體實(shí)體數(shù)模建立，并運(yùn)用Solidworks Simulation有限元分析軟件對數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件加載及強(qiáng)度分析，將應(yīng)力分析結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel 表格中提取總體一次薄膜應(yīng)力。

　　壓力載荷下產(chǎn)生的一次總體薄膜應(yīng)力是最基本的應(yīng)力，是為平衡壓力載荷所產(chǎn)生的，這種應(yīng)力如超過材料的許用應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，則容器產(chǎn)生很大的變形( 徑向膨脹) ，如不計(jì)殼體材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，則殼體材料會發(fā)生塑性流動，導(dǎo)致容器爆破。這種破壞是在一次加載條件下就發(fā)生的。

2、有限元分析

　　隨著計(jì)算科學(xué)的發(fā)展，原來得不到解析的復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以用有限元法求解，能夠得到各部分比較準(zhǔn)確詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，為運(yùn)用應(yīng)力分類方法進(jìn)行分析設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為有限元法的應(yīng)用提供了有利條件。

　　分析設(shè)計(jì)是以板殼理論方法計(jì)算出的應(yīng)力為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)力分類，板殼理論屬于應(yīng)用彈性力學(xué)范疇，是對某些問題做了工程上允許的簡化和假設(shè)處理后再用彈性力學(xué)方法的求解。而有限元法屬于彈性力學(xué)的范疇，是彈性力學(xué)的一種粗化方法。

　　2.1、建立數(shù)模

　　建立模型是有限元分析的第一步，模型生成的目的是建立能真實(shí)反映實(shí)際設(shè)計(jì)原型的數(shù)學(xué)模型。有限元建模為數(shù)值計(jì)算提供所有原始輸入數(shù)據(jù)。這里先對閥體建立實(shí)體幾何模型，在此基礎(chǔ)上建立有限元模型。

　　根據(jù)閥體圖紙尺寸，利用Solidworks 軟件實(shí)體建模模塊對閥體整體建立參數(shù)化分析模型( 圖1) 。并對分析模型應(yīng)用材料屬性，彈性模量取1.9kN /m²，泊松比取0.3。

圖1 閥體立體數(shù)模

　　2.2、劃分網(wǎng)格

　　網(wǎng)格劃分就是將實(shí)體模型進(jìn)行離散，在此之前必須指定所分析對象的特征，包括材料屬性、單元類型、實(shí)常數(shù)的定義選擇。

　　單元的劃分遵循“均勻應(yīng)力區(qū)粗劃，應(yīng)力梯度大的區(qū)域細(xì)劃”的原則。在閥體上，網(wǎng)格應(yīng)細(xì)劃的位置是閥體的入口處與閥體中腔的交界處。網(wǎng)格粗劃的位置是閥體的大部分與閥體上的筋板等部位。為保證有限元計(jì)算結(jié)果的可靠性，單元網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)定不大于閥體的最小壁厚值。應(yīng)用SolidworksSimulation 對閥體指定網(wǎng)格尺寸，采用四面體自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，雅可比為4 點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為35 466，共計(jì)23 357 個單元( 圖2) 。

圖2 閥體實(shí)體網(wǎng)格劃分

　　2.3、受力分析及載荷加載

　　根據(jù)實(shí)際受力情況施加邊界條件及載荷( 圖3) ，對閥體進(jìn)出口端面進(jìn)行固定，對閥體內(nèi)部施加10. 0MPa 內(nèi)壓載荷。

　　2.4、應(yīng)力結(jié)果

　　靜力分析后，處理的步驟主要包括繪制變形圖、變形動畫、支反力列表、應(yīng)力等值線圖和網(wǎng)格密度檢查。

　　運(yùn)行Solidworks Simulation 求解器進(jìn)行應(yīng)力求解，根據(jù)一次和二次應(yīng)力的分類原則，由應(yīng)力云圖可以看出需對閥門的通徑處進(jìn)行總體一次薄膜應(yīng)力求解。繪制并提取支撐線段上29 個應(yīng)力值( 圖4) 。

3、總體一次薄膜應(yīng)力求解

　　總體一次薄膜應(yīng)力需要對主應(yīng)力進(jìn)行等效線性化處理。等效線性化就是把實(shí)際應(yīng)力曲線用靜力等效的辦法做線性化處理。

圖3 對閥體施加邊界條件及載荷

圖4 提取支撐線段上應(yīng)力

　　(1) 確定應(yīng)力校核線。一般選在幾何不連續(xù)的部位、厚度或曲率變化的部位以及開孔、接管等局部不連續(xù)的地方，應(yīng)當(dāng)包括五類應(yīng)力的最大值可能出現(xiàn)的地方，也應(yīng)選擇連接所選危險部位兩個表面間的最短線。

　　(2) 按靜力等效原理，將應(yīng)力沿校核線做線性化處理。即用一個等價的線性化應(yīng)力分布代替實(shí)際應(yīng)力分布。處理后，由合力等效得出的沿斷面均勻分布的平均應(yīng)力屬于薄膜應(yīng)力，由合力矩等效得出的沿斷面線性分布的屬于彎曲應(yīng)力，其余的為非線性部分。

　　總體一次薄膜應(yīng)力存在整體不連續(xù)區(qū)域之外或載荷作用的不連續(xù)區(qū)域之外，是沿基準(zhǔn)平面支撐線段上的正應(yīng)力平均值，即由軸向薄膜應(yīng)力、環(huán)向薄膜應(yīng)力、徑向薄膜應(yīng)力及3 個平均剪應(yīng)力導(dǎo)出。因此需對分析應(yīng)力結(jié)果按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行線性化處理，然后提取該線性上的正應(yīng)力，并對應(yīng)力強(qiáng)度求解。所謂應(yīng)力強(qiáng)度就是某點(diǎn)最大剪應(yīng)力的兩倍。本文結(jié)合Excel 表格繪制功能，導(dǎo)入Solidworks Simulation中支撐線段上的應(yīng)力值( 表1) 。

表1 Solidworks Simulation 中支撐線段上的應(yīng)力值(部分) MPa

圖5 Excel 中繪制應(yīng)力線性化曲線

　　圖5 由6 條應(yīng)力曲線組成，包括支撐線段上的3 個主應(yīng)力曲線及其形成的3 條膜應(yīng)力曲線。根據(jù)形成的曲線計(jì)算出應(yīng)力強(qiáng)度，可以得到支撐線段處總體一次薄膜應(yīng)力不超過20MPa。

　　按規(guī)則設(shè)計(jì)是以彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，將總體部位的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力限制在材料的屈服點(diǎn)以下，保證總體部位始終處于彈性狀態(tài)而不會發(fā)生彈性失效。

　　應(yīng)用壓力面積法對總體一次薄膜應(yīng)力進(jìn)行求解，其值為不超過15MPa，考慮到閥門結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，運(yùn)用有限元求解出的應(yīng)力更加準(zhǔn)確。

4、結(jié)語

　　通過Solidworks Simulation 求解應(yīng)力及Excel表格制作功能提出了閥體應(yīng)力線性化的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對閥體一次應(yīng)力求解的有限元方法，同時也給出了基于Solidworks Simulation 應(yīng)力線性化的方案，實(shí)現(xiàn)了總體一次薄膜應(yīng)力在Solidworks中的求解。