運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)低溫蝶閥進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在不影響原模型又便于在ANSYS中劃分高質(zhì)量網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，對(duì)低溫蝶閥原模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。首先，通過對(duì)ANSYS的一系列操作得出不同時(shí)刻的溫度分布云圖，然后對(duì)其溫度變化情況進(jìn)行分析并進(jìn)行總結(jié)。其次，改變對(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)其所需的冷卻時(shí)間進(jìn)行模擬計(jì)算，同時(shí)擬合出時(shí)間隨對(duì)流換熱系數(shù)變化時(shí)的三次多項(xiàng)式。最后，通過對(duì)低溫蝶閥的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得出閥門在低溫環(huán)境下運(yùn)行的安全情況。

1、引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，近年來計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已成為產(chǎn)品研發(fā)中的一個(gè)重要輔助手段，數(shù)值模擬與分析也逐步開始應(yīng)用于各類流體機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)用數(shù)值模擬與分析對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了大量計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)研究，如Cameron、EEC等公司在解決可靠性方面做了較多研究，Cameron公司為防止震動(dòng)、減少?zèng)_蝕磨損，盡量減少帶有盲目性的樣機(jī)制作，對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值模擬研究，使其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和流道設(shè)計(jì)更趨合理。

　　在模擬過程中根據(jù)產(chǎn)品在工程應(yīng)用中一些實(shí)際運(yùn)行條件輸入一些經(jīng)驗(yàn)的或是理論的數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬計(jì)算求出所要的各種場(chǎng)的分布，而模擬試驗(yàn)的結(jié)果正確與否，要通過真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證，或用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模擬模型進(jìn)行修正。在沒有試驗(yàn)設(shè)備的條件下通過模擬試驗(yàn)也可對(duì)產(chǎn)品的性能有一個(gè)很好的預(yù)測(cè)。通過流場(chǎng)各種性能參數(shù)的模擬試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以評(píng)估所用模擬軟件對(duì)產(chǎn)品在特定條件下模擬結(jié)果正確性和可信度。為以后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供良好的參考和指導(dǎo)，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更加優(yōu)越。這里用ANSYS軟件進(jìn)行低溫蝶閥的模擬運(yùn)算分析。

2、模型及物性參數(shù)

　　2.1、建模與簡(jiǎn)化計(jì)算模型

　　圖1為蝶閥的半剖示意圖，其公稱直徑為DN250，其在密封性試驗(yàn)時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。為了在試驗(yàn)過程中減少跑冷損失，首先去掉圖1中的傳動(dòng)裝置、傳動(dòng)支架和接頭部分。對(duì)低溫蝶閥適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化然后進(jìn)行模擬，前提是不影響原來的模型，主要是去掉一些對(duì)結(jié)果沒有影響的倒角和盲孔里的錐底，這樣便于在ANSYS中劃分高質(zhì)量網(wǎng)格。由于主要是針對(duì)蝶閥的閥體、閥板、閥桿及其與之關(guān)聯(lián)的部分進(jìn)行模擬，所以簡(jiǎn)化后的模型如圖2示。

圖1 低溫蝶閥半剖圖

圖2 低溫蝶閥模型簡(jiǎn)化圖

　　2.2、材料的物性參數(shù)

　　該低溫蝶閥閥體、閥板以及閥桿材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，密度為7900kg/m³。由于這種不銹鋼的材料在試驗(yàn)中內(nèi)部組織變化程度很小，所以可忽略其相變過程中釋放的潛熱。蝶閥閥桿與閥體間的密封設(shè)計(jì)采用填料函密封結(jié)構(gòu)，為了避免溫度過低對(duì)填料函造成嚴(yán)重的影響，繼而影響閥門的正常操作，在設(shè)計(jì)時(shí)通過采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函遠(yuǎn)離低溫介質(zhì)，同時(shí)選用耐低溫的柔性石墨填料。柔性石墨是目前最優(yōu)秀的密封材料之一。填料函處的填料及閥板密封材料均使用柔性石墨，其熱導(dǎo)率和比熱容受溫度的影響變化不大。在數(shù)值計(jì)算過程中取其平均熱導(dǎo)率87W/(m·K)，平均比熱容510J/(kg·K)，以及密度1530kg/m³。

3、瞬態(tài)傳熱分析

　　瞬態(tài)傳熱是指一個(gè)系統(tǒng)在加熱或是冷卻過程中系統(tǒng)的熱流率、溫度、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間變化的過程。根據(jù)能量守恒定律，瞬態(tài)平衡的矩陣表達(dá)式為：

[C]{T}+[K]{T}={Q} (1)

　　式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；[C]為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{T}為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含生成熱。

　　在具體的傳熱過程中，材料的物性參數(shù)、邊界條件與溫度有關(guān)時(shí)，此時(shí)的瞬態(tài)熱平衡表達(dá)式為：

[C(T)]{T}+[K(T)]{T}={Q(T)} (2)

　　3.1、ANSYS瞬態(tài)傳熱分析的主要過程

　　ANSYS瞬態(tài)傳熱分析的主要步驟：建立模型、施加載荷、求解和后處理。

　　(1)建立模型：定義材料的熱物性，定義的不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容。定義柔性石墨的密度為1530kg/m³，比熱為510J/(kg·℃)，平均導(dǎo)熱系數(shù)為87W/(m·℃)。建立如圖2所示幾何模型，為不同的面積定義材料的屬性，并對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的單元邊長(zhǎng)設(shè)定為0.001。

　　(2)施加載荷：定義瞬態(tài)熱分析的初始條件。定義邊界條件，在DifineinitialConditions對(duì)話框中，選擇LabDOFtobespecified后的下拉表框中選擇TEMP選項(xiàng)，在VALUE文本框中輸入37℃。在Thermal/convection/online命令后彈出選擇對(duì)話框，在圖形窗口中選擇需要施加對(duì)流傳熱的邊，確定后在VALI中定義對(duì)流傳熱系數(shù)為120W/(m2·K)，溫度定義為-105℃。

　　(3)求解：確定Time/Frequence選項(xiàng)。設(shè)置載荷步的載荷子步或時(shí)間增量，根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞，可以按ITS=δ2/4α估計(jì)初始時(shí)間步長(zhǎng)，其中δ為沿?zé)崃鞣较驘崽荻茸畲筇幍膯卧�長(zhǎng)度，α為導(dǎo)溫系數(shù)，α=K/(ρ·C)。

　　Time/Frequence選項(xiàng)的子選項(xiàng)Time-timestep中設(shè)置總時(shí)間為10800s(3h)，時(shí)間步為10s，最小時(shí)間步1s，最大時(shí)間步為250s，在stepped項(xiàng)中選擇ON。并設(shè)定自動(dòng)時(shí)間選項(xiàng)為ON，以便于在求解過程中自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)。

　　非線性選項(xiàng)每個(gè)子步默認(rèn)的迭代次數(shù)為25，在OutputCtrls/DB/Resultsfile選項(xiàng)中選擇Allitems，并在filewritefrequency選項(xiàng)中選擇Everysubstep，求解solve/CurrentLS。

　　(4)后處理：利用POST1對(duì)模型進(jìn)行后處理。

　　3.2、瞬態(tài)傳熱分析的結(jié)果與分析

　　利用POST1對(duì)圖2模型進(jìn)行后處理，對(duì)流傳熱系數(shù)為120W/(m2·K)，冷卻溫度為-105℃時(shí)的溫度分布云圖如圖3、圖4所示。

圖3 30s時(shí)溫度分布云圖

圖4 10308s時(shí)溫度分布云圖

　　從溫度分布云圖可以看出，當(dāng)對(duì)流傳熱系數(shù)為120W/(m2·K)，冷卻溫度為-105℃時(shí)，低溫閥從環(huán)境溫度降到低溫閥中最高溫度為-102.418℃需要10308s。閥板中心點(diǎn)處為低溫閥體的溫度最高點(diǎn)。閥體外表面是其最低溫所在位置。應(yīng)用POST26處理器查看低溫閥門各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化如圖5所示。

　　從圖5中可以看出隨著時(shí)間的變化，各點(diǎn)的溫度都在降低，在開始的3300s內(nèi)溫度降低幅度比較大，換熱比較快。而在3300s之后各點(diǎn)的溫度降低幅度明顯減小，換熱比較慢。故而可以得出：隨著時(shí)間的推移，低溫蝶閥與試驗(yàn)箱內(nèi)的溫差逐漸減小，且溫差減小幅度從快到慢。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的時(shí)間后閥體的溫度幾乎不在變化，溫度等同于試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度。

圖5 10800s內(nèi)各點(diǎn)溫度的變化曲線

　　只改變對(duì)流傳熱系數(shù)，其它條件均不變。閥體從環(huán)境溫度降到閥體最高溫度-102.418℃，所需要的時(shí)間隨對(duì)流傳熱系數(shù)的變化如表1，圖6是其擬合曲線。

圖6 所需時(shí)間隨對(duì)流傳熱系數(shù)變化的擬合曲線

　　從而得到在不同的對(duì)流傳熱系數(shù)下閥體從環(huán)境溫度降到閥體最低溫度-102.418℃所需要的時(shí)間3次多項(xiàng)式公式為：T(s)=-0.0026h3+1.1440h2-182.1711h+20250.6162

表1 對(duì)流傳熱系數(shù)與降到-102.418℃所用時(shí)間ANSYS分析表

4、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

　　ANSYS不僅能解決單純的熱分析問題，也能解決與熱相關(guān)的耦合場(chǎng)作用問題，熱-結(jié)構(gòu)耦合分析便是其中之一。ANSYS進(jìn)行耦合分析的方法有兩種：直接耦合法和間接耦合法。直接耦合法在解決耦合場(chǎng)相互作用具有高度非線性時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)；對(duì)于不存在高度非線性相互作用的情況，間接耦合法更為方便有效。本文采用間接耦合的方法對(duì)低溫閥的熱-結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。間接熱-結(jié)構(gòu)耦合法是通過把第一次熱場(chǎng)分析的結(jié)果作為第二次應(yīng)力場(chǎng)的載荷來實(shí)現(xiàn)兩種物理場(chǎng)的耦合。

　　間接耦合法分析的基本過程：

　　(1)熱分析：使用ANSYS熱分析的所有功能，在劃分網(wǎng)格時(shí)要盡可能的劃分的密一些，因?yàn)檫@樣便于后續(xù)的分析。

　　(2)單元轉(zhuǎn)換：上述熱分析完成后，再次進(jìn)入前處理。在這部分，通過相應(yīng)的命令Switchelementtype/thermaltostructure把原來的熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析單元structuresolid4node182。

　　(3)結(jié)構(gòu)分析參數(shù)設(shè)置：設(shè)置結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，包括材料的熱膨脹系數(shù)、前處理設(shè)置、節(jié)點(diǎn)耦合約束方程等。

　　(4)結(jié)構(gòu)分析邊界條件輸入：選擇熱分析的結(jié)果文件*.rth作為結(jié)構(gòu)分析的邊界條件輸入，并設(shè)定參考溫度。

　　(5)結(jié)構(gòu)分析求解和后處理：結(jié)果主要由應(yīng)力、應(yīng)變等組成。結(jié)果文件主要包括基本數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。X、Y方向和總的熱變形位移圖分別如圖7、圖8、圖9所示。圖中的位移顯示放大了100倍。圖中黑色邊線為常溫下的狀態(tài)，云圖顯示了閥體在試驗(yàn)條件下狀況。X、Y方向和總的熱變形最大位移分別為0.0756、0.0339、0.0863mm。

圖7 X方向的熱變形位移圖

圖8 Y方向的熱變形位移圖

圖9 總熱變形位移圖

　　總熱應(yīng)力分布如圖10所示，在法蘭處所受到螺栓的約束，最大應(yīng)力集中在法蘭和閥體與閥頸連接處。但最大的熱應(yīng)力為0.171GPa，遠(yuǎn)小于閥體材料的屈服強(qiáng)度1.240GPa，閥體的變形屬于彈性變形，所以閥體材料在低溫條件下運(yùn)行是安全的。

圖10 熱應(yīng)力分布圖

5、結(jié)語

　　對(duì)低溫閥在新的測(cè)試環(huán)境下的降溫速度進(jìn)行模擬試驗(yàn)，確保試驗(yàn)時(shí)低溫閥閥板中心達(dá)到試驗(yàn)所要求的溫度，為低溫閥門的試驗(yàn)提供一個(gè)冷卻時(shí)間參考，當(dāng)對(duì)流傳熱系數(shù)為120W/(m2·K)，冷卻溫度為-105℃時(shí)，低溫閥從環(huán)境溫度降到低溫閥中最高溫度為-102.418℃需要10308s。同時(shí)擬合出同一低溫閥從環(huán)境溫度降到試驗(yàn)溫度時(shí)所需要時(shí)間隨對(duì)流傳熱系數(shù)變化的多項(xiàng)表達(dá)式。通過熱-結(jié)構(gòu)耦合對(duì)低溫閥在低溫條件下熱變形位移、熱應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計(jì)算，應(yīng)用模擬試驗(yàn)可以預(yù)測(cè)閥門在低溫狀態(tài)下應(yīng)力集中的區(qū)域，為設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。