8eAWE的大口径闸阀阀体强度分析与结构优化
挡板阀的流体动力学分析与优化设计
挡板阀的流体动力学分析与优化设计引言挡板阀是一种常用的流体控制装置，广泛应用于各个工业领域。
其主要作用是通过控制挡板的位置和角度来控制流体的通量和压力。
挡板阀的流体动力学性能对流体系统的稳定运行和控制精度有着重要影响。
因此，进行挡板阀的流体动力学分析和优化设计对于提高流体控制系统的效率具有重要意义。
1. 挡板阀的工作原理挡板阀是通过控制挡板在流体管道内的位置和角度来实现流量和压力的调节。
当挡板关闭时，流体被阻挡，形成一定的阻力，从而实现流量和压力的控制。
当挡板打开时，流体可以经过挡板自由流动，实现最大通量。
2. 挡板阀的流体动力学分析挡板阀的流体动力学分析主要包括以下几个方面：2.1 流量特性分析流量特性是指挡板阀在不同开度下的流体流量与阀门开度的关系。
通过分析流量特性可以了解挡板阀的流量调节能力和线性特性，进而确定最佳的阀门开度范围。
2.2 压力特性分析压力特性是指挡板阀在不同开度下的压力损失与阀门开度的关系。
压力特性的分析可以帮助确定挡板阀的最佳开度范围，提高流体系统的稳定性。
2.3 流体力学性能分析挡板阀的流体力学性能分析主要包括阀门开启和关闭过程中的压力变化、流体速度分布、涡流等方面。
通过分析这些性能参数可以发现优化设计的方向，提高挡板阀的工作效率和精度。
3. 挡板阀的优化设计方案基于流体动力学分析的结果，可以提出一些挡板阀的优化设计方案，以提高其流体控制性能和效率。
以下是几个常见的优化设计方案：3.1 流道优化设计通过改变挡板的流道形状和结构，可以减小流体阻力和压力损失，提高流量和压力调节的精度。
3.2 防挡板震动设计挡板震动是挡板阀常见的问题之一。
通过优化挡板的材料、结构和支撑方式，可以有效降低挡板的震动幅度，提高阀门的工作稳定性。
3.3 信号调节策略优化挡板阀的开启和关闭信号对流体控制性能有着重要影响。
通过优化信号调节策略，可以提高挡板阀的响应速度和控制精度。
4. 挡板阀的应用案例挡板阀广泛应用于许多领域，如化工、石油、食品加工等。
三偏心蝶阀的结构优化及流场分析
Vol. 45 No. 12Dec. 2021第45卷第12期2021年12月液压与毛动Chinese Hydraulics & Pneumaticsdoi : 10.11832/j. issn. 1000-4858.2021.12.022三偏心蝶阀的结构优化及流场分析韦彦强，何世权(南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京211816)摘 要：针对传统三偏心蝶阀的缺点，提出一种桁架过流式三偏心蝶阀结构，利用SolidWorks 建立其三维模型并抽取不同开度下的流体域模型，然后根据设定的工况条件在Fluent 中进行流场模拟计算。
结果表 明：优化后的阀板在不同开度下，过流面处承受的压力变小，承压面所能承受的压力变大；同等开度下，优化 后的阀板表面的速度降低，阀板表面所受冲刷程度减轻;大开度下，优化后的阀板周围流动稳定性更好，改进后蝶阀的流量系数变大，流通能力变强。
对改进前后的蝶阀结构进行阻力特性试验，对比分析得出：大开度下流阻系数明显减小，且改进后结构的流阻系数在同等开度下都有所减小,再次证明改进后结构的性能优势。
关键词：三偏心蝶阀；Fluenl ;结构优化；流场模拟；流量系数；阻力特性试验中图分类号:TH137 文献标志码:B 文章编号：10004858 (2021 )12-0162-06Structural Optimization and Flow Field Analysis of Triple-eccentricButterfly ValveWEI Yan-qiang, HE Shi-quan(School of Mechanical and Power Engineering , Nanjing Tech University , Nanjing , Jiangsu 211816)Abstract : Aiming at the traditional triple-eccentric butterfly valve 5s shortcomings , proposes a truss overflow typetriple-eccentric butterfly valve structure. Use SolidWorks to establish its three-dimensional model and extract thefluid domain model under different opening degrees , and then perform the flow field simulation calculation in Fluent according to the set working conditions. The result shows : With the optimized valve plate at different openingdegrees , the pressure on the flow surface becomes smaller , and the pressure on the pressure surface becomeslarger. When flowing through valve plate^urface under the same opening degree , optimized valve plate surface 5 flow speed and erosion become smaller. With a large opening , fluidity around optimized valve plate is more stable. Afterthe improvement , the flow coefficient of the butterfly valve becomes larger and the flow capacity becomes stronger.Finally , a comparativeanalysis of the resistance characteristics of the butterfly valve structure before and after the improvement is carried out. From the test results , the flow resistance coefficient is significantly reduced at a largeopening , and the flow resistance coefficient of the improved structure is reduced at different openings. Once againprove the performance advantage of the improved structure.Key words : triple-eccentric butterfly valve, Fluent , structure optimization , flow field simulation , flow coefficient ,resistance characteristic test引言三偏心蝶阀结构的出现，解决了中线蝶阀只能在低温低压工况下使用的问题，将双偏心蝶阀中的挤压变形密封转化成扭力密封，成功解决了金属密封面无 法实现零泄漏的问题，即使在高温高压等极端工况下，三偏心蝶阀仍能表现优良，因此被广泛地应用于各行各业［"。
闸门振动的原因及防止措施分析
闸门振动的原因及防止措施分析1. 引言随着科学技术的进步和人们对于水利工程安全性的要求不断提高，防止闸门振动已经成为当今水利工程设计和施工中需要特别关注的问题。
闸门振动不仅会影响水利工程的正常运行，还会导致闸门结构的破坏，给人们生命财产造成不可估量的损失。
因此，为了防止闸门振动的发生，需要对其原因和防止措施进行深入的分析研究。
本文将结合水利工程设计中的实际情况，对闸门振动的原因及防止措施进行分析。
2. 闸门振动原因分析闸门振动的原因较为复杂，可以从闸门本身的设计、水流的作用和闸门周围环境等多个方面来进行分析。
2.1 闸门本身的设计闸门设计的不合理，可能引发闸门振动。
比如闸门结构的刚度不够，闸门与墙体连接的方式不稳定、闸门的重量分布不均等，都会导致闸门在水流的作用下出现振动。
此外，闸门的过渡区也可能是振动的产生原因，过渡区设计不当会导致水流的速度突然加速或减速，进而引发闸门振动。
2.2 水流的作用水流也是导致闸门振动的重要因素。
在水流涌入闸室时，水流会形成类似涡流的涡旋区，其作用会使得闸门前后产生反向的水流压力，进而引发闸门振动。
同时，水流会在闸门的槽口形成诸如缩流、加速等流场，进而产生压力波，拉低闸门下沿，使其不稳定，从而导致闸门振动发生。
2.3 闸门周围环境闸门周围环境也可能是引发闸门振动的原因之一。
当有高楼大厦、桥梁、公路等建筑物靠近闸门时，其产生的气流也会对闸门产生不稳定的影响，使闸门受到外力的干扰而振动。
3. 闸门振动防止措施分析为了防止闸门振动的发生，必须采取措施以提高闸门的稳定性。
下面从尺寸比例选择、结构优化、水流控制等几个方面进行详细分析。
3.1 尺寸比例选择闸门结构的尺寸比例选择十分重要。
对于低压角情况下的运行，需要调整闸门的悬挂距离，使得闸门避免受到水流特定频率激励。
同时，闸门的外形尺寸也需要进行优化，从而避免闸门成为水流的共振体。
3.2 结构优化闸门的结构优化也是确保闸门安全运行的一个关键环节。
闸阀的结构及工作原理
闸阀的结构及工作原理闸阀是一种常用的管道阀门，其结构简单，使用广泛。
下面我将详细介绍闸阀的结构及工作原理。
一、闸阀的结构闸阀主要由阀体、阀盖、闸板、螺栓、填料（密封副）和操作装置等组成。
1. 阀体和阀盖：阀体是安装在管道中的主体部件，阀盖与阀体相连接，可密封阀门。
阀体一般采用铸造工艺制成，阀盖一般采用法兰连接。
2. 闸板：闸板是闸阀的主要工作部件，用于控制介质的流通。
闸板一般位于阀盖和阀座之间，可以在管道内部上下运动，使阀口实现开启和关闭。
闸板的密封面为平面或斜面，当闸板完全关闭时，与闸阀阀座紧密贴合，实现良好的密封。
3. 螺栓：螺栓用于固定阀体、阀盖和闸板等零件。
螺栓的紧固力度对于阀门的正常工作至关重要，必须保证螺栓紧固牢固，但也不能过紧。
4. 填料（密封副）：填料用于在阀杆与阀体之间形成密封。
常用的填料材料有柔性石棉纱、聚四氟乙烯等，可根据介质的特性选择合适的填料。
5. 操作装置：闸阀的操作装置一般包括手动操作装置和电动操作装置。
手动操作装置一般为手轮、手柄等，通过人工旋转或推拉操作，控制闸板的开启和关闭。
电动操作装置可以通过电机的带动，实现闸板的远程开启和关闭。
二、闸阀的工作原理闸阀通过阀板的上下运动来控制介质的流通。
当阀板下降到位时，实现关闭；当阀板上升到位时，实现开启。
1. 开启状态：当手动操作装置或电动操作装置启动时，驱动阀杆和闸板上升。
此时，介质从阀体的进口流入阀体内部，通过闸板和阀座的间隙，从阀体的出口流出，完成介质的流通过程。
2. 关闭状态：当手动操作装置或电动操作装置启动时，驱动阀杆和闸板下降。
此时，闸板与阀座紧密贴合，切断介质的流通，实现阀门的关闭。
同时，填料的密封作用也起到了防止介质泄漏的作用。
需要注意的是，闸阀的开启和关闭过程应该缓慢进行，以防止介质的冲击和阀门的损坏。
闸阀开启时，闸板的上升速度应适当控制，防止液体冲击；闸阀关闭时，阀板的下降速度也应适当控制，以防止阀板与阀座的撞击。
关于蝶阀内部流动特性仿真分析及结构优化探讨谷尚铸1戴建华2
关于蝶阀内部流动特性仿真分析及结构优化探讨谷尚铸1 戴建华2发布时间：2021-10-28T06:30:29.094Z 来源：《基层建设》2021年第22期作者：谷尚铸1 戴建华2 [导读] 本文以大口径蝶阀作为研究对象，采用雷诺应力方程与k-ε湍流模型完成数学建模1浙江伯特利科技股份有限公司浙江温州 325000；2浙江迦南科技股份有限公司浙江温州 325000摘要：本文以大口径蝶阀作为研究对象，采用雷诺应力方程与k-ε湍流模型完成数学建模，并基于蝶阀内部流动特性建立流场仿真模型，经由网格离散化处理后完成初始条件与参数的设置。
仿真分析结果表明，通过在阀板表面增设“//”形加强筋、将阀门开度控制在53.5%～68%范围内，并且减小雷诺数、调节管道内壁粗糙度，能够最大限度减小流体扰动，维持管道内部流场的稳定性。
关键词：大口径蝶阀；流动特性；仿真分析引言：通常在蝶阀开关过程中易使流体对阀板造成冲击，引发阀板变形问题，因此需选取加强筋增设在阀板背部，起到支撑作用、提高结构强度。
但采用不同加强筋结构将使得介质流量产生一定变化，因此需通过对蝶阀内部流场特性进行分析，在此基础上为蝶阀结构优化方案设计提供借鉴思路。
1蝶阀内部流场仿真模型1.1蝶阀结构以DN3000大口径蝶阀为例，该蝶阀主要由阀体、阀板、阀杆、密封圈与加强筋等结构组成，其中阀体借助双头螺栓与管道法兰连接，阀板位于圆筒形阀体内与阀杆连接，绕阀杆旋转0～90°实现对阀门开关的控制。
当阀板位于阀体内初始位置时，将与密封圈共同形成密封结构，使阀门保持关闭，用于拦截外部液体流入；当阀板旋转90°后，阀门将处于开启状态，以此实现对介质流量的调节，控制阀门开度[1]。
1.2方程组与控制参数采用雷诺应力方程模型（RSM）与k-ε湍流模型建立控制方程组，设ρ为密度，xi、xj为坐标参数，压力为，、均为速度矢量，湍流动能K、能耗散率ε对应的产生项分别为GK和Gε，湍流粘度与粘性系数分别为v和vt，其余、c、σ均为常数，且已知cμ取值为0.09，σK、σε分别取值为1.0和1.3，则该方程组表示为：1.3蝶阀流道模型在建立大口径蝶阀内部流道模型时，可将小部件忽略，仅以内部腔道作为模拟分析对象，根据蝶阀连接管道长度对前、后两端管段分别取6m和8m长度，连同蝶阀作为计算域，建立蝶阀内部流道的简化模型[2]。
闸室结构静动力分析及上部框架优化设计
河海大学硕士学位论文闸室结构静动力分析及上部框架优化设计姓名：***申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：***20060424河海大学硕二卜学位论文ｆ二１ＡＮＳＹＳ建立计算模型利用ＡＮＳＹＳ软件建立闸室静力计算模型，对闸墩、闸底板、地基按实体单元处理，考虑到上部框架用常规梁单元有计算误差（结点宽度和剪切变形影响）及块体单元和粱单元的连接人为处理带来的误差，上部框架也用实体单元计算。
本文在描述过程中用到的实体单元均是Ｓｏｌｉｄ４５号单元，Ｓ０１【ｄ４５单元用于构造三维实体结构。
单元通过８个节点来定义，每个节点有３个沿着ｘ、ｙ、ｚ方向平移的自由度。
单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。
类似的单元有适用于各向异性材料的Ｓｏｉｌｄ６４单元。
考虑到闸墩底部、顶部和其他结构连接，故在闸墩底部和顶部划分相对密，而在其中间则相对稀疏；闸底板从上至下越来越稀，在闸底板有一层相对薄单元，用来加扬压力；地基有一条节理Ｎ３２。
Ｅ，Ｎｗ么８０”９０。
，将地基材料一分为二，划分网格时需要注意在相交处可能会产生三角形单元；中间主框架的柱横截面划分成５×５个单元，横河向顶梁横截面划分成４×３个单元，其它梁横截面划分成３×３个单元，总划分单元数４５２３６个，总节点数５３０５４个，其中闸墩单元数１５１６０个，节点数为１７３８８个。
计算网格图如下图所示：图２．３闸室整体结构有限元网格（三）加边界条件及荷载信息：对称模型：地基与底板上下游垂直边界面Ｘ、Ｙ方向位移为零，Ｚ向自由，在地河海大学硕：Ｌ学位论文合１作用下的横河向梁正应力，这主要由启闭力、设备重和梁自重所致，另外，梁柱交接处也有应力集中现象；３）柱正应力的最大值、最小值出现在柱顶外侧和内侧，远大于基本组合１作用下的相应值，这主要由启闭力、设备重和梁自重所致；４１闸墩的ｘ方向正应力最大值、最小值出现在地基上游和闸底下游处，闸门处没有拉应力集中现象：５）闸墩的ｖ方向正应力最大值、最小值出现在地基上游、闸顶与柱交接处；６）闸墩的ｚ方向正应力最大值、最小值出现在闸顶与柱的交接处、闸底下游。
高温高压阀门阀体的可靠性分析与研究
高温高压阀门阀体的可靠性分析与研究摘要：阀体是高温高压阀门主要部件之一，其可靠性的高低直接决定了产品的质量。
文中利用ＦＭＥＣＡ（故障模式、影响和危害性分析）分析方法，研究阀门的失效模式和失效原因，并列出分析表格，再根据应力－强度干涉模型估算阀体的可靠度。
计算结果表明，在给定的工作参数下，阀体是安全、可靠的。
关键词：高温高压阀门；可靠性；阀体高压阀门在超硬质材料制造、化学工业、石油化工、水利系统、天然气运输、火电、核电、船舶、车辆、飞机等领域都有着广泛的应用，随着发展速度越来越快，我国对阀门的需求量也是日益增多，阀门一旦失效就会造成不可挽回的后果，故可靠性在阀门研究当中具有重要地位。
一般而言，高压阀门常年处在高温、高压工况下，工作一定时间后就很容易发生泄漏、卡滞和振动等失效现象。
为了发现影响可靠性降低的因素，利用 FMECA 分析方法将故障模式、影响以及危害性按照风险等级进行排序，将危险消除在早期阶段，并且将对阀体主要的失效部位进行可靠度分析，这对高温高压阀门阀体产品的设计具有重要意义。
一、高温高压阀的 FMECA 分析以强度性能、密封性和总体动作性能作为高温高压阀可靠性的依据。
强度性能是指在阀门中的各个零件承受的介质压力的能力，对于高温高压阀而言主要部位为阀体、阀芯。
密封性是指高温高压阀各个密封部位阻止介质泄漏的能力，主要是阀芯和阀座之间的配合关系，阀杆与填料之间的密封，阀体与阀盖的连接。
总体动作性能主要包括阀门动作速度、灵敏度和动作稳定度，有无振动与噪声等。
FMECA 方法的分析步骤如下：１）确定分析的范围并熟悉整个系统。
对其系统组成、复杂程度、技术成熟度以及制造工艺流程和工作环境等进行分级与分类。
２）确定故障准则与确定分析层次。
判断故障的层次，确定其复杂程度，分析其复杂性并进行划分。
３）进行故障模式影响分析。
FMECA 分为FMEA 与CA，FMECA 包括故障的模式、原因、影响、检测方法以及补偿措施分析等。
5 阀门的受力分析解析
7-1 截止阀的受力分析
（二）密封面上的总作用力和比压
2.密封面上的总作用力
截止阀属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必 须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。 当介质由阀瓣下方进入阀内时，操作力所需要克服的 阻力，是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的 推力。 关阀门的力比开阀门的力大。 作用在密封面上的最大的作用力，即密封面作用在阀 杆上的轴向力（不包括摩擦阻力）。
7-1 截止阀的受力分析
阀瓣密封面的宽度b’M 通常要比阀座密封面宽度bM大2～6mm，这是因为要 考虑结构和制造上的原因，阀瓣和阀座不可能在同一 个中心线上。 阀瓣密封面内径 阀瓣和阀座密封面的平均直径应该相等，这样便得出 阀瓣密封面内径。
DMN (bM bM ) DMN
一、闸阀的密封形式
根据两对密封副的工作状况 、介质静压 力与介质密封力的不同关系分为：
1.自动密封
这种形式的密封在介质进口端闸板与阀座密 封面之间具有间隙；而密封是由介质静压力 作用于介质出口端来加以保证。 只有在介质静压力大于密封力的情况下才 有可能采用这种形式的密封。
7-2 闸阀的受力分析
一、闸阀的密封形式
开启时阀杆螺纹 的摩擦扭矩
7-1 截止阀的受力分析
四、阀杆载荷分布及强度计算
1、对于旋转升降杆 介质从下方流入时： Ⅰ-Ⅰ断面处的应力：
MF N WN
WN ---Ⅰ-Ⅰ断面处螺纹内径的
抗扭模量
---材料的许用扭应力
1、对于升降杆式 Ⅱ-Ⅱ断面处的合成应力：
2 2 Y 4 2 N2
2
7-1 截止阀的受力分析
（二）密封面上的总作用力和比压
闸阀的受力原理
闸阀的受力原理闸阀是一种常用的流体控制阀门，其受力原理可以通过以下几个方面进行解释：一、流体力学原理：1. 通流部分：当闸阀开启时，流体通过阀门的通道流动，受到流体的冲击力和阻力。
这些流体力对阀门产生作用力，会沿着阀干和阀座的面积产生作用，分别称为力矩和摩擦力。
这些作用力直接影响到阀门的开启和关闭力矩。
2. 阀座压力区域：当闸阀关闭时，流体压力将作用于阀座上，由于阀座通常是由金属材料制成，所以会受到来自流体的压力作用。
这种压力可用公式P=F/A 计算，其中P表示压力，F表示力，A表示阀座的面积。
根据这个原理，我们可以看到压力越大，作用于阀座上的力也越大。
二、机械原理：1. 闸板受力：当闸阀关闭时，闸板压在阀座上，阻止流体通过。
此时，流体压力作用在闸板上，从而产生一个与流体压力平行的向上作用力，称为闸板受力。
这个受力由来自流体的压力以及阀门的面积共同决定。
2. 阀杆受力：闸阀通过阀杆来控制闸板的开启和关闭动作。
阀杆一端连接着闸板，另一端连接着手柄或执行器，通过作用于手柄或执行器的力来控制阀杆的运动。
当手柄或执行器施加力矩时，通过阀杆传递给闸板，使其产生开启或关闭的运动。
三、摩擦与密封：1. 闸阀的关闭由闸板与阀座的摩擦力来实现。
当手柄或执行器施加力矩时，通过阀杆传递给闸板，使其与阀座接触。
由于阀杆与闸板之间存在摩擦力，当施加的力矩大于摩擦力时，闸板会开始移动。
而当摩擦力大于施加的力矩时，闸板会停止移动，从而实现阀门的关闭。
2. 闸阀的密封性主要依靠阀座和闸板之间的密封面来实现。
当闸板贴合在阀座上时，阀座与闸板之间的密封面形成一条密封线，通过该密封线来阻止流体的泄漏。
在闭合状态下，阀板与阀座之间形成较大的接触面积，密封性较好。
需要注意的是，闸阀在受力原理方面还有一些其他因素需要考虑，例如电磁力、惯性力等。
另外，闸阀的结构和工作原理也会根据具体设计和使用条件而有所差异。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况进行综合分析和计算，以确保闸阀正常工作。
闸阀的结构及工作原理
闸阀的结构及工作原理闸阀是一种常见的管道阀门，广泛应用于各种工业领域。
它的主要作用是控制管道中流体的流量和压力，以及防止流体倒流。
本文将从结构和工作原理两个方面来介绍闸阀。
一、结构闸阀的主要结构包括阀体、阀盘、阀杆、密封垫圈和操作机构等部分。
阀体是闸阀的主体部分，通常采用铸铁、钢铸或不锈钢等材料制成。
阀体内部有一个通道，流体通过这个通道进出。
阀体两端有法兰连接，可以与管道连接。
阀盘是闸阀的关键部件，它的作用是控制流体的流量和压力。
阀盘通常采用铸铁、钢铸或不锈钢等材料制成，形状为矩形或梯形。
阀盘的两端有密封垫圈，可以保证阀门的密封性。
阀杆是连接阀盘和操作机构的部件，它的作用是控制阀盘的开关。
阀杆通常采用不锈钢制成，具有较高的强度和耐腐蚀性。
密封垫圈是保证闸阀密封性的关键部件，通常采用橡胶或聚四氟乙烯等材料制成。
密封垫圈的质量直接影响闸阀的密封性能。
操作机构是控制闸阀开关的部件，通常采用手动、电动或气动方式。
手动操作机构通常采用手轮或手柄，电动操作机构通常采用电动机和控制器，气动操作机构通常采用气动执行器和控制器。
二、工作原理闸阀的工作原理是通过阀盘的升降来控制流体的流量和压力。
当阀盘升起时，通道打开，流体可以通过；当阀盘下降时，通道关闭，流体无法通过。
闸阀的开关过程通常分为两个阶段：启动阶段和关闭阶段。
启动阶段是指阀盘从关闭状态到打开状态的过程，关闭阶段是指阀盘从打开状态到关闭状态的过程。
在启动阶段，操作机构通过阀杆将阀盘向上提起，使通道打开，流体可以通过。
在关闭阶段，操作机构通过阀杆将阀盘向下压低，使通道关闭，流体无法通过。
闸阀的密封性能是其重要的性能指标之一。
密封垫圈的质量直接影响闸阀的密封性能。
当阀盘下降时，密封垫圈与阀体之间形成密封，防止流体倒流。
当阀盘升起时，密封垫圈与阀盘之间形成密封，防止流体泄漏。
总之，闸阀是一种常见的管道阀门，其结构和工作原理都比较简单。
在实际应用中，需要根据具体的工况选择合适的材料和操作机构，以保证闸阀的正常运行。
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第３５卷第２期兰州理工大学学报ｖｏＬ３５№．２２００９年４月ＪｏｕｍａｌｏｆＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｐｒ．２００９
文章编号：１６７３—５１９６（２００９）０２∞０６２＿０５
基于ＡｗＥ的大口径闸阀阀体强度分析与结构优化安宗文，权帅峰（兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州７３００５０）摘要：在ＡＮＳＹｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ集成开发平台环境下，建立大口径闸阀阀体的参数化模型，从安全、经济的角度，就如何改进阀体的结构以减少阀体的应力集中现象，合理优化加强筋结构尺寸和位置进行有限元分析和结构设计，得出阀体最优的结构尺寸，结合最大应力强度敏感性分析，为该类闯体结构的设计提出指导性意见．结果表明，优化后的阀体最大等效应力明显减小、应力分布更加均匀，该研究方法具有较高的效率和精度．关键词：闸阀；参数化建模；加强筋；强度；优化中图分类号：ＴＱ０５５．８ｌ文献标识码：Ａ
Ｓｔｒｅｎｇｔｈ锄ａｌｙｓｉｓ锄ｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＩａｒｇ伊ｃａＩｉｂｒｅｄ
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Ｓｈｕａｉ—ｆｅｎｇ
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ｔｅ“ｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｌａｒｇｐｃａｌｉｂｒｅｄｇａｔｅｖａｌｖｅｂｏｄｙｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＦｒｏｍｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆＶｉｅｗｏｆｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｅｃｏｎｏｍｙ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｂｏｄｙｗａｓｃａｒｒｉｅｄｉｎｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈ
ｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｖａｌｖｅｂｏｄｙｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｙｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｉｚｅａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｓｔｉｆｆｅｎｅｒｓ，ｓｏｔｈａｔａｎｏｐｔｉｍｕｍｓｉｚｅｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｂｏｄｙｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｍａｘｉｍｕｍｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｏｍｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇ
ｔｈｉｓ
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ＩＩｌｉｚｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｖａｌｖｅｂｏｄｙｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ
ａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓ、＾隐ｓｍｏｒｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，
ｓｈｏｗｉｎｇｔｈｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｐｒｅｓｅｎｔｅｄｗａｓｏｆｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄａｃｃｕｒａｃｙ．
１‘ｌ巧，ｗＯＩ。ｔｌＳ：ｇａｔｅｖａｌｖｅ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
大口径闸阀（公称通径为３５０～１２００ｍｍ）在供水和工业管道上被广泛应用．阀体作为闸阀主要零件之一，其结构型式及参数对阀门总体性能有重要的影响．由于大口径闸阀阀体受到结构长度的限制，其容纳闸板的内腔通常为扁圆形或椭圆形的异形容器，很难用理论公式对其进行强度分析［１］，结构优化也大多依靠工程经验．随着信息技术的发展和各类工程分析软件的完善，工程技术人员将先进的设计手段应用于传统产品的设计和开发［２］．在大口径闸阀设计过程中，应用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ进行收稿日期：２００８∞７—１４基金项目：甘肃省自然科学基金（Ｚｓ０３１一Ａ２５－０１７—Ｇ），甘肃省高校研究生导师基金（０６０３Ｂｒ０６）作者简介：安宗文（１９６８一），男，甘肃兰州人．博士，副教授．阀体强度分析和结构优化已有许多成果［３１］．然而，采用ＡＰＤＬ语言在有限元软件ＡＮＳＹＳ中实现阀体三维参数化建模或者直接将阀体ＣＡＤ参数模型导人ＡＮＳＹＳ的方法，可能存在定义结构参数的困难，也可能在建模或导入的过程中会导致零件几何信息的缺失，这些都会影响分析和设计的效率和精度．因此，本文以ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈＥｎ—
ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ＡＷＥ）协同优化分析平台为建模工具，以某公司７００２４０Ｈ１６Ｃ（公称压力１．６ＭＰａ，通径
７００ｍｍ）型大口径楔式闸阀为例进行阀体的参数化建模和有限元强度分析．进而以阀体质量约束条件下应力集中处的最大等效应力作为目标函数，以阀体结构的基本尺寸作为设计变量，对阀体进行结构优化设计．万方数据第２期安宗文等：基于ＡｗＥ的大口径闸阀阀体强度分析与结构优化・６３・
阀体强度的有限元分析１．１阀体材料特性７００２４０Ｈ１６Ｃ型大口径楔式闸阀阀体结构如图ｌ所示，阀体材料ＷＣＢ，杨氏弹性模量Ｅ＝２０６ＧＰａ，
泊松比∥＝ｏ．２５，抗拉极限为４８２．８ＭＰａ，屈服极限为２４８．３ＭＰａ，许用应力为１２０．６９ＭＰ乱１．２分析模型的简化阀体的实体模型应该能准确反映其实际结构．同时，在保证计算精度的前提下，模型应尽可能简化，因此在建模过程中对阀体的一些不影响总体性能的特征进行简化处理，忽略阀体某些倒角几何特征后，阀体参数化模型如图１所示．
图ｌＡｗＥ环境的阀体参数化模型图Ｆｉ晷ｌＰａｒａｎＫｔｅｒｉ臻ｔｉ彻ＩｎｏｄｅＩｄｉａ孵硼０ｆ
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１．３有限元网格划分由于阀体为非规则的实体，因此采用１０节点的四面体单元对模型划分网格，划分网格后的模型有１１０１０４个节点，５５７４２个单元，确保分析结果的收
敛性．１．４边界条件和载荷在阀体进出口两端法兰端面施加固定约束，中法兰端面施加Ｚ方向约柬；根据阀门水压试验要求，在阀体内表面施加２．４ＭＰａ计算压力，忽略中法兰螺栓预紧力和阀体自重．１．５计算结果分析在２．４ＭＰａ试验压力下，按照第四强度理论为基础的阀体等效应力云图如图２所示，阀体最大等效应力为１４３．ｏＭＰａ，材料的许用应力［ｄ］＝１２０．６９ＭＰａ，最大等效应力超出材料许用应力范围．由于阀体中腔截面为近似椭圆体形状，在体腔上部的四个导圆角部位及下部流道相贯区部位形状发生突变，有明显的应力集中现象；最大应力出现在阀体中腔与端法兰之间的两侧肋板位置．图２阀体等效应力云图Ｆｉ吕２Ｅｑｕｉ砌明ｔｓｈ瑚ｎｅｐｈ０髀ｍｏｆ涮ｖｅｂｏ衄在１．６ＭＰａ工作压力下进行类似的有限元分析，阀体最大等效应力和阀体最大主应力都在阀体材料的许用应力范围内，但是在阀体中腔有明显的应力集中现象．若投入使用会增大阀门运行中的风险，降低阀门的使用寿命．因此有必要从安全和经济的角度对阀体中腔的形状、中腔外侧加强筋的位置和尺寸进行优化，以减小阀体的应力集中现象，保证阀体的强度．２阀体结构优化２．１影响阀体强度的结构参数由阀体等效应力云图可知，阀体最大应力位置处在阀体两侧肋板部位，故中腔形状和外侧加强筋的尺寸及位置对阀体强度均有较大的影响．关于中腔截面形状参数对阀体强度的影响，已有文献专门进行研究＂］．本文同时考虑影响阀体强度的中腔截面及外侧加强筋结构参数，进行优化设计．阀体结构参数如图３、４所示，外侧三道加强筋结构尺寸参数相同，厚度为Ｄ，，截面长度为Ｌ，，位置参数分别为ＦＤ，、ＦＤ。，肋板厚度为Ｄ：，中腔截面形状参数：大小圆相交处的倒圆半径为Ｒｚ，大圆半径为Ｒ，，阀体厚度为ｎ，在此对中腔截面形状参数Ｌ和Ｒ不作讨论．因此，本文共设计８个对阀体强度有影响的结构参数为优化变量．２．２阀体结构参数优化为了减少阀体应力集中现象，使应力分布更加均匀并满足强度要求，以阀体质量约束条件下应力集中处的最大等效应力最小化作为目标，以阀体结构的基本尺寸作为设计变量，对阀体进行结构优化设计．１）优化目标：阀体等效应力最大值最小（小于材料许用应力１２０．６９ＭＰａ）．
万方数据・Ｓ４・兰；Ｉｆｆ理工大学学报第３ｓ卷Ｈ旨箴
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图３加强筋结构示意图聪３ｓｃｌ科ｒＩａ墩ｍａｇｒａｍｏｆ
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图４阀体中腔截面图ｎ孚４Ｓ∞ｔ妇ＩａＩｖｉｅｗｏｆｖａＩｖｅｂｏｄｙ∞Ｖｉｔｙ２）状态变量：阀体重量（ＧｅｏｍｅｔｒｙＭａｓｓ）接近原质量１２８０
ｋｇ．
３）设计变量及约束条件：根据实际工程问题的
需要，对设计变量的约束如表１所示．表Ｉ设计变量及约束条件Ｔｈｂ．１Ｄ答ｉｇｎ弘ｌ均ｍｅｔｅ幅ａＩＩｄ∞略仃ａｉｎｔ咖ｄｉｔｉ∞
４）优化方法：采用一阶优化方法，即通过对目标函数添加罚函数将有约束的多变量非线性规划问题变成无约束的非线性规划问题，以因变量对设计变量的偏导数来决定搜索方向，自动运行优化程序，在优化的每一次循环中都对模型重新划分网格，完成优化分析．５）参数对等效应力的影响：在ＡＮＳＹＳｗｏｒｋ—ｂｅｎｃｈ的ＤｅｓｉｇｎＸｐｌｏｒｅｒ优化模块碍出响应图，其中ＤＳ．尺ｔ对阀体等效应力的影响如图５所示，阀体中腔截面形状的大圆半径Ｒ，为２０７５ｍｍ时，等效应力最大值为最小，当偏离这个值，应力上升很快。ＤＳ－Ｄｚ对阀体等效应力的影响如图６所示，随着阀体两侧肋板厚度Ｄ２的增加，等效应力呈减小趋势，在厚度尺寸达到６０ｍｍ以上时等效应力下降程度很小．设计参数ＤＳ．１诜、ＤＳ－Ｒ２、Ｄｓ－Ｄ，、ＤＳ＿ＦＤ，、ＤＳ＿上，。的响应图类似ＤＳ—Ｄ２的分布规律，ＤＳ－ＦＤｚ的增加会引起阀体等效应力的增大，但影响程度比较小．露ｌ至＼Ｒ翅较珈必蝮Ｄｓ—尺．／ｍｍ图５哪－对阀体等效应力的影响图Ｆｉ舀ＳＩｎｎ咖侥ｏｆ璐一Ｒｌ佩ｑｕｉＶａＪ曲ｔｓｔｌｌ瞵ｉｎｖａＩｖｅｂｏｄｙ色主、、太翅较输必蟠图６Ｄｓ－ｐ：对阕体等效应力的影响图ｎ吕６ＩＩＩｎＩ烈Ｉ位ｏｆＤＳ＿Ｄ２衄ｅｑｕｉｖａＪｅｎｔ３蚋翳ｉｎＶａｌｖｅｂｏｄｙ６）应力强度设计空闾与灵敏度分析由图６可知，当参数达到某一个值时，应力值达到最小，这是所有优化变量共同作用的结果，而不是某个参数在独自作用，实际的晌应图应该是三维图形，这样求得的解为约束范围内的全局解．图７、８为利用ＤｅｓｉｇｎＸｐｌｏｒｅｒ进行的应力强度设计空间与参数灵敏度分析．从应力设计空间和强度灵敏度分析可以看出，在本文指定的设计参数中，阀体两侧肋板厚度、阀体厚度、阀体外侧三道加强筋厚度对阀体最大应力的影响所占的比重最大，其次为中腔截面形状大小圆相交处的倒圆半径、第一道加强筋与中法兰的间距、阀体中腔截面形状的大圆半径和外侧三道加强筋横向伸出长度，二、三道加强筋的间距对处于两侧肋板位置的最大应力强度的影响比重最小．７）优化结果及分析：经过有限元优化程序对影响阀体强度的中腔截面形状、外侧加强筋尺寸及位