在中高壓法蘭蝶閥的設(shè)計(jì)過程中，對重要部件-閥體進(jìn)行有限元分析是現(xiàn)代閥門設(shè)計(jì)的主要方法。這里采用SolidWorks中集成的有限元分析軟件COSMOS，通過實(shí)例詳細(xì)的介紹了用COS-MOSXpress及COSMOSWorks，對中高壓法蘭蝶閥閥體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析的過程。得到的計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相近，驗(yàn)證了有限元分析的正確性。

1、引言

　　法蘭式蝶閥被大量應(yīng)用在各行各業(yè)的工業(yè)管道上，法蘭蝶閥主要由閥體、蝶板、閥軸、驅(qū)動裝置等組成，當(dāng)?shù)�閥工作壓力在中、高壓范圍時(shí)(PN2.5～80MPa)，蝶閥的閥體內(nèi)部承受的壓力較高�，F(xiàn)代的閥門設(shè)計(jì)中，蝶閥除了按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需對閥體進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

　　介紹了依據(jù)通用閥門壓力試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13927-2008，對常溫下的中高壓法蘭蝶閥的閥體進(jìn)行靜壓條件下的強(qiáng)度分析，以及在額定工作壓力條件下產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)有限元分析結(jié)果，按照美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范(國際性規(guī)范)第Ⅷ卷第二冊《壓力容器建造另一規(guī)則》中的強(qiáng)制性附錄4《以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)》，對有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析討論和強(qiáng)度驗(yàn)證，同時(shí)也通過對產(chǎn)品的實(shí)測驗(yàn)證了有限元分析的結(jié)果。

2、分析軟件選用

　　CAE分析工具軟件能夠幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品的可制造性分析或者改進(jìn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，當(dāng)前專門用于有限元分析的軟件有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC，但由于這些專業(yè)分析軟件與CAD脫節(jié)很嚴(yán)重，即機(jī)械CAD功能相對較差，往往難以完成復(fù)雜模型的建模、出工程圖等設(shè)計(jì)工作，且對操作人員的要求也很高，只有專業(yè)的分析師才能使用，因此限制了在企業(yè)中的應(yīng)用。而SolidWorks軟件擁有功能強(qiáng)大的機(jī)械CAD功能，并具有功能完善的應(yīng)用插件，其中系統(tǒng)提供的分析產(chǎn)品COSMOS，包括了一系列分析應(yīng)用軟件，如COSMOS Works有限元分析軟件、COSMOS Xpress點(diǎn)擊式分析向?qū)У�，并嵌入SolidWorks Office Premium中。集成到SolidWorks平臺下的COSMOS，解決了單獨(dú)環(huán)境下CAE在前后處理方面的問題，同時(shí)還繼承了SolidWorks易學(xué)易用的特點(diǎn)。

　　應(yīng)用SolidWorks軟件，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中進(jìn)行分析，并可根據(jù)分析結(jié)果，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，可節(jié)省材料成本及開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，大大加快產(chǎn)品上市速度。本文選用SolidWorks軟件，對中壓法蘭蝶閥的閥體進(jìn)行有限元的分析。

3、利用COSMOS Xpress進(jìn)行強(qiáng)度分析

3.1、確定材質(zhì)

　　在COSMOSXpress中指定閥體的材質(zhì)為鑄造碳鋼，WCB鑄造碳鋼的力學(xué)性能參數(shù)，如表1所示。

表1 法蘭蝶閥閥體材質(zhì)WCB力學(xué)性能參數(shù)

3.2、定義約束條件

　　根據(jù)法蘭蝶閥的工作條件，法蘭蝶閥工作時(shí)是通過兩端的法蘭與管路連接，由蝶閥和管路上的法蘭密封水線部位加密封墊后，再通過螺栓旋緊連接。其約束在法蘭密封水線所在的平面和受螺栓軸向力作用的法蘭內(nèi)側(cè)平面。當(dāng)定義約束條件時(shí)，COS-MOSXpress會自動添加到法蘭整個(gè)外端面，此時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際約束情況，對約束的部位進(jìn)行重新編輯，如圖1所示。

圖1 定義約束條件

3.3、加載載荷

　　法蘭蝶閥在液體靜壓力狀態(tài)下，閥體內(nèi)部作用力垂直作用在閥體的內(nèi)壁上，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13927-2008的靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)條件，試驗(yàn)壓力為額定工作壓力的1.5倍，添加載荷到閥體內(nèi)腔，如圖2所示。

圖2 加載載荷

3.4、仿真分析

　　通過以上參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行分析后，得到分析結(jié)果，如圖3所示。從中可以得出此法蘭蝶閥閥體的最低安全系數(shù)為3.97461，此安全系數(shù)大于3，閥體壁厚尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不需要對閥體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 COSMOS Xpress分析結(jié)果

4、利用COSMOS Works進(jìn)行有限元分析

4.1、蝶板開啟狀態(tài)下

4.1.1、靜壓力下

　　與采用COSMOS Xpress分析時(shí)相同，對法蘭蝶閥閥體的進(jìn)行材質(zhì)設(shè)定，并根據(jù)蝶閥閥體工作狀態(tài)的分析，對約束進(jìn)行定義(與圖1相同)、加載載荷6.0MPa(與圖2相同)，并劃分網(wǎng)格，得到23974個(gè)單元、41676個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 對閥體進(jìn)行網(wǎng)格劃分

　　運(yùn)行COSMOSWorks，得到分析結(jié)果，如表2所示。

表2 靜壓力下蝶板開啟時(shí)COSMOSWorks分析結(jié)果

　　在蝶板開啟的靜壓力狀態(tài)下，此時(shí)閥體上產(chǎn)生的最大應(yīng)力為301.4MPa，發(fā)生在閥體上部與上法蘭連接的部位，節(jié)點(diǎn)22251處，應(yīng)力云圖，如圖5所示。

圖5 蝶板開啟時(shí)靜壓力狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

　　最大位移為0.015mm，發(fā)生在閥體上部與閥體承壓側(cè)法蘭連接的部位，節(jié)點(diǎn)33747處，位移云圖，如圖6所示。

圖6 蝶板開啟時(shí)靜壓力狀態(tài)下的位移云圖

　　按照美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范(國際性規(guī)范)第Ⅷ卷第二冊《壓力容器建造另一規(guī)則》中的強(qiáng)制性附錄4《以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)》，閥體受內(nèi)壓時(shí)，內(nèi)壁在壓力作用下向外產(chǎn)生變形，其最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力為301.4MPa，此應(yīng)力強(qiáng)度是由一次薄膜應(yīng)力PL和一次彎曲應(yīng)力Pb疊加而成，而根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，此應(yīng)力強(qiáng)度不得超過試驗(yàn)溫度下材料屈服強(qiáng)度σs的135%。WCB的σs為248.2MPa，計(jì)算得到：

　　248.2×1.35=335.34>301.4MPa

　　應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。

　　最大位移為0.015mm，由于WCB的延伸率較高，位移符合設(shè)計(jì)要求。

4.1.2、額定工作壓力下

　　在額定工作壓力下，并且蝶板開啟時(shí)，運(yùn)行COSMOSWorks，得到分析結(jié)果，如表3所示。

表3 額定壓力下蝶板開啟時(shí)COSMOSWorks分析結(jié)果

　　在額定工作壓力下，蝶板開啟，閥體上產(chǎn)生的最大應(yīng)力為200.9MPa，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)22251處，應(yīng)力云圖，如圖7所示。

圖7 蝶板開啟時(shí)額定工作壓力狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

　　最大位移為0.0098mm，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)33747處，位移云圖，如圖8所示。

圖8 蝶板開啟時(shí)額定工作壓力狀態(tài)下的位移云圖

4.2、蝶板關(guān)閉狀態(tài)下

　　在額定壓力工作狀態(tài)下，當(dāng)?shù)�板全關(guān)時(shí)，閥體的密封圈一側(cè)的承壓方向部分受載。此時(shí)的約束情況與圖1相同。不考慮水錘的影響，在閥體的密封圈承壓一側(cè)加載載荷，如圖9所示，并劃分網(wǎng)格，得到23974個(gè)單元、41676個(gè)節(jié)點(diǎn)。運(yùn)行COSMOSWorks，得到分析結(jié)果，如表4所示。

圖9 在閥體密封圈承壓一側(cè)加載載荷

　　表4 額定壓力下蝶板關(guān)閉時(shí)COSMOS Works分析結(jié)果

　　最大應(yīng)力為154.0MPa，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)22251處，應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 蝶板關(guān)閉時(shí)額定工作壓力狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

　　最大位移為0.0095mm，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)33747處，位移云圖，如圖11所示。

圖11 蝶板關(guān)閉時(shí)額定工作壓力狀態(tài)下的位移云圖

　　額定工作壓力下的強(qiáng)度條件為PL+Pb≤σs，最大應(yīng)力154.0MPa<248.2MPa;最大變形位移為0.0095mm，可見最大應(yīng)力與最大位移發(fā)生的位置與蝶板開啟狀態(tài)下完全相同，可見，此時(shí)應(yīng)力及變形均符合設(shè)計(jì)要求。

5、實(shí)測結(jié)果比較

　　對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)變實(shí)測，在閥體應(yīng)力較大處貼電阻應(yīng)變片，采用電測法并貼溫度補(bǔ)償片，組成單臂電橋進(jìn)行測量，得到實(shí)測結(jié)果。COSMOS分析計(jì)算應(yīng)力結(jié)果與實(shí)測應(yīng)力結(jié)果，如表5所示。從中對比得出實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較接近。

表5 計(jì)算應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力對比

6、結(jié)語

　　通過采用COSMOSXpres及COSMOSWorks有限元分析，均可以得出該閥體應(yīng)力及位移符合設(shè)計(jì)要求。按照國家標(biāo)準(zhǔn)及ASME以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行分析討論，該閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)合理，閥體強(qiáng)度安全。該計(jì)算分析數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差小于6%，實(shí)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較接近，證明有限元分析是合理可行的。

　　需要注意的是，對閥體進(jìn)行有限元分析還可能出現(xiàn)兩種結(jié)果，一是有限元分析的結(jié)果顯示閥體強(qiáng)度不夠，此時(shí)則必須立即更改閥體設(shè)計(jì)參數(shù)，重新建模，再進(jìn)行分析，直至滿足要求為止。二是有限元分析結(jié)果顯示安全系數(shù)過大，則表示設(shè)計(jì)過于保守，在這種情況下，可調(diào)整閥體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，結(jié)構(gòu)更合理、重量更輕。但是，在根據(jù)COSMOS有限元分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整時(shí)，還要充分考慮到閥體材質(zhì)、鑄造以及加工等多方面的影響，分析結(jié)果要留有合適的安全余量。

　　利用SolidWorks軟件以及集成的COSMOS有限元分析軟件，可方便的實(shí)現(xiàn)對重要部件的邊設(shè)計(jì)、邊分析，可根據(jù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)規(guī)范，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，得到最合理的結(jié)果，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。