運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)空調(diào)用截止閥的各項(xiàng)性能進(jìn)行模擬，獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。從分析結(jié)果可知：截止閥在各性能試驗(yàn)工況中最大應(yīng)力都不高，不存在強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)；而在裝配過程中螺母擰緊時(shí)，截止閥的應(yīng)力水平較高，可能存在強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)；增大過渡區(qū)域的圓角半徑可以改善結(jié)構(gòu)的變形，降低最大應(yīng)力值。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要手段和工具。CAD/CAE技術(shù)在機(jī)械行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，其中CAE技術(shù)目前已成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要保障。

　　在閥門制造業(yè)中，由于其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡單，產(chǎn)品開發(fā)周期短，導(dǎo)致市場競爭異常激烈。為提高競爭力、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，越來越多的企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到CAE技術(shù)的優(yōu)勢，即利用CAE技術(shù)可以在設(shè)計(jì)前期發(fā)現(xiàn)并修改設(shè)計(jì)缺陷，減小實(shí)樣制作和試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)，從而縮短開發(fā)周期，提高市場競爭力。筆者以某空調(diào)截止閥為例，運(yùn)用CAE技術(shù)模擬截止閥各性能試驗(yàn)狀態(tài)和安裝受力狀態(tài)，以獲得截止閥結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，確認(rèn)結(jié)構(gòu)是否存在強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)。

1、截止閥的性能要求

　　JB/T10648—2006《空調(diào)與冷凍設(shè)備用制冷劑截止閥》要求，截止閥主要性能要求有耐壓強(qiáng)度、破壞強(qiáng)度、密封性、耐久性、耐高溫、耐低溫、耐冷熱循環(huán)、耐振動(dòng)、耐沖擊等。這些性能要求都需要通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。而這些性能試驗(yàn)大部分可以運(yùn)用CAE進(jìn)行模擬，進(jìn)而預(yù)測截止閥的性能狀態(tài)。

2、有限元模擬

　　2.1、模型

　　圖1所示為截止閥的CAD模型，包括蓋帽螺母、閥座、閥芯、接管和接管螺母等。圖2所示為截止閥的有限元模型。閥座以0.5mm 的基本尺寸進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。截止閥總成模型的體單元數(shù)量為149606個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為172609個(gè)。

　　2.2、材料

　　由于本次分析主要關(guān)注閥座的變形狀態(tài)，而且閥座相對(duì)于閥芯、螺母結(jié)構(gòu)是較弱的，所以閥座材料考慮材料非線性，其他材料只考慮線性。

　　閥座材料屬于塑性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)可以通過拉伸試驗(yàn)獲得。考慮到保密性問題，未將材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)在本文中列出。

　　2.3、分析工況

　　參照J(rèn)B/T10648—2006，除密封性和應(yīng)力腐蝕等幾項(xiàng)不能模擬外，其余都可以運(yùn)用CAE進(jìn)行模擬。所以可以按照性能要求確定分析工況和載荷，另外須考慮截止閥在裝配過程中的變形情況。

　　由于篇幅限制，筆者只選取幾個(gè)典型的工況說明CAE的應(yīng)用情況。選取破壞強(qiáng)度試驗(yàn)、耐高溫性能試驗(yàn)和安裝時(shí)螺母擰緊狀態(tài)等工況。

　　2.4、破壞強(qiáng)度模擬

　　1)性能要求：在5倍最大工作壓力下，閥的各部位應(yīng)無破損。

　　2)試驗(yàn)條件為閥座固定，加載5倍的最大工作壓力。對(duì)于DG4最大工作壓力為3MPa，破壞強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)載荷為15MPa液壓。

　　3)有限元模型：在2個(gè)安裝孔中約束x，y 和z 向平動(dòng)自由度，然后在閥座和接管內(nèi)表面施加15MPa的壓強(qiáng)。

　　閥芯與閥座間運(yùn)用TIE接觸方式模擬螺紋連接，蓋帽、螺母與閥座間通過共節(jié)點(diǎn)方式模擬螺紋連接，在接管與閥座間的焊縫連接通過剛性單元BEAM 簡化模擬。如圖3所示。

圖3　約束和加載示意圖

　　4)分析結(jié)果

　　圖4　應(yīng)力(MPa)分布云圖經(jīng)求解計(jì)算后，應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥座內(nèi)表面處，且高應(yīng)力區(qū)域只出現(xiàn)在尖角上很小的區(qū)域內(nèi)，最大應(yīng)力值為106.2MPa，其余應(yīng)力都較小，最大應(yīng)力小于材料屈服極限192MPa，即閥座仍處于彈性變形階段，結(jié)構(gòu)中的塑性應(yīng)變?yōu)?MPa，所以閥座不會(huì)出現(xiàn)永久變形，截止閥在這種工況下，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.5、耐高溫性能模擬

　　1)性能要求：在規(guī)定的條件下，經(jīng)120℃高溫試驗(yàn)后，閥的密封性應(yīng)符合密封性要求。

圖4　應(yīng)力(MPa)分布云圖

　　2)試驗(yàn)狀態(tài)：閥處于全開狀態(tài)，按規(guī)定力矩?cái)Q緊螺母，充入混合介質(zhì)后，將各口封閉，放入120℃±2℃恒溫箱96h，取出冷卻到室溫，檢查其密封性。

　　3)約束和載荷：由于內(nèi)部混合介質(zhì)材料的熱脹冷縮性能參數(shù)不易獲得，且由于閥座內(nèi)部的液體壓力較小，液體熱脹冷縮對(duì)閥座影響較小，分析時(shí)忽略閥座內(nèi)部液體的作用，只考慮實(shí)體結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮變形。

　　有限元模型如圖5所示，模型中不考慮密封圈，將螺栓安裝孔處完全約束，施加整體的溫度場載荷。

3、結(jié)束語

　　通過運(yùn)用CAE技術(shù)模擬截止閥結(jié)構(gòu)一些性能要求的工況以及安裝過程中可能出現(xiàn)的受力狀態(tài)，可以方便地獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形狀態(tài)，從而可以知道哪些狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較為惡劣、結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域及其改進(jìn)和優(yōu)化方向。對(duì)于截止閥一些性能要求的試驗(yàn)工況，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平都不高。而在安裝過程中，結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)較大的應(yīng)力，存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)。