基于大型通用有限元軟件ANSYS，分別對筋板在垂直及傾斜放置時(shí)的高溫蝶閥閥座進(jìn)行數(shù)值模擬和加載分析，獲得了高溫蝶閥閥座的徑向、周向、軸向和MISES等效應(yīng)力場情況，對兩種閥座的承載能力進(jìn)行了對比和分析，為高溫蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全選型提供參考依據(jù)。

1、概述

　　蝶閥結(jié)構(gòu)簡單，體積小，啟閉迅速流阻小。目前國內(nèi)生產(chǎn)的閥門中，將工作溫度t>450℃的蝶閥稱為高溫蝶閥。

　　某公司煙機(jī)入口的調(diào)節(jié)閥采用DN1200電液高溫蝶閥，其閥體結(jié)構(gòu)為雙偏心形式，且閥體與管道采用焊接連接。高溫蝶閥的操作溫度為650℃，閥座和蝶板的材質(zhì)為0Cr18Ni9。高溫雙偏心蝶閥常采用兩種形式，即蝶閥筋板可采用垂直放置和斜置兩種形式。為探討兩種結(jié)構(gòu)形式的強(qiáng)度，利用ANSYS有限元分析軟件提供的APDL語言編程參數(shù)化技術(shù)對不同筋板放置下的蝶閥閥座建立較為精確的三維有限元模型，分析兩種結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓6MPa(水壓試驗(yàn)壓力)的應(yīng)力分布。

2、有限元模型

　　2.1、幾何模型

　　利用ANSYS分別建立蝶閥閥座在筋板垂直及斜置狀態(tài)下的三維幾何模型(圖1)，其中斜置筋板與閥座中心橫切面所成的角度為25°。閥門操作壓力為0.26MPa，閥座外覆防水泡沫石棉保溫材料，厚度為80～100mm，由于只考慮閥座筋板對閥座強(qiáng)度的影響，故保溫層可以忽略不計(jì)。

　　2.2、網(wǎng)格劃分

　　對閥座應(yīng)力分析計(jì)算采用SOLID45單元，其具有三維8節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)沿著x、y及z方向平移的自由度。閥座在內(nèi)壓下強(qiáng)度的分析未考慮溫度分布和保溫層的影響。

　　當(dāng)?shù)�閥筋板垂直放置時(shí)，考慮到幾何模型的復(fù)雜性，為保證網(wǎng)格質(zhì)量和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將整體分析模型細(xì)分為較小的體積塊，并依次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保有限單元網(wǎng)格的光滑過渡�？紤]到兩端支撐邊界對蝶閥受力情況的影響，這里將閥座模型向兩端各延長600mm。整體有限單元模型如圖2(a)所示，共15986個(gè)SOLID45單元。當(dāng)?shù)�閥筋板傾斜放置時(shí)，考慮到幾何模型的復(fù)雜性，中間采用自由網(wǎng)格劃分，整體有限元模型如圖2(b)所示，共12813個(gè)SOLID45單元。

(a)蝶閥筋板垂直放置 (b)蝶閥筋板斜置

圖1 垂直和斜置筋板下的閥座三維模型

(a)蝶閥筋板垂直放置 (b)蝶閥筋板斜置

圖2 垂直和斜置筋板下的閥座網(wǎng)格劃分模型

　　2.3、材料屬性及邊界條件

　　根據(jù)蝶閥的操作條件，確定其材料屬性、初始條件及邊界條件。

　　(1)材料屬性

　　蝶閥材質(zhì)為0Cr19Ni9，即304不銹鋼。彈性模量為1.95×10⁵MPa，泊松比為0.3。值得注意的是，模型兩端延長部分采用相同的材料屬性。

　　(2)邊界條件

　　在模型入口端的斷面上施加固定邊界，而另一端的斷面保持為平面，即耦合軸向方向的位移。

　　(3)載荷

　　根據(jù)水壓試驗(yàn)壓力，閥座內(nèi)壓取為6MPa。在閥座保持為平面的一端及接管的端部施加響應(yīng)的軸向拉力P。

4、結(jié)語

　　(1)采用ANSYS軟件，分別對筋板在垂直及傾斜放置狀態(tài)下加載分析，獲得了高溫蝶閥閥座的徑向、周向、軸向和MISES等效應(yīng)力場情況，對兩種閥座的承載能力進(jìn)行了對比分析，為高溫蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全選型提供參考依據(jù)。

　　(2)計(jì)算結(jié)果表明，筋板垂直放置時(shí)蝶閥閥座的最大等效應(yīng)力在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，且最大值為191.14MPa。筋板傾斜放置時(shí)蝶閥閥座的最大等效應(yīng)力也在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，且最大值為154.1MPa。

　　(3)值得注意的是，雖然二者的最大等效應(yīng)力均在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，但其開孔位置不同。如果僅考慮內(nèi)壓的作用，筋板傾斜放置時(shí)蝶閥閥座的承載能力較高。根據(jù)彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，筋板傾斜放置時(shí)蝶閥閥座的承載能力約為垂直放置時(shí)閥座的1.24倍。