527WS_1型舷侧舌阀阀体的有限元分析.pdf

文章编号 100225855 2008 0320032204 基金项目湖北省自然科学基金2005ABA310和湖北省教育厅科学技术研究项目D200612003。 作者简介易先中1963 - ,男,教授,从事CAD/ CAE/ CAM、先进钻采机械和机电一体化技术等研究。 527WS- 1型舷侧舌阀阀体的有限元分析 易先中1,江山1,邓洋1,马卫国1,李爱平2,闵文涛2 1 1 长江大学 机械工程学院,湖北 荆州434023 ; 21 武昌造船厂,湖北 武汉430063 摘要 运用ANSYS和Pro - E软件的无缝连接技术,对在水下高压状态下工作的527WS - 1 型舷侧舌阀阀体进行了多种工况的有限元力学分析。研究结果表明在关闭、开启和强度试验等3 种工况中,以舌阀在开启状态工作时,阀体所受的力最大,但最大应力值只为其材料的塑性强度 极限的65 ,阀体表面将无塑性变形出现,满足强度要求,增加阀体内壁面两斜交中空圆柱体 处的过渡圆角半径,可显著改善阀体的应力集中状态。 关键词 船用阀;舌阀;阀体; CAD 中图分类号 TH134 文献标识码 A Finite element analysis of valve body in 527WS - 1 type ship side flap valve YI Xian2zhong1, J IANG San1, DENG Yang1, MA Wei2guo1, LI Ai2ping2, MIN Wen2tao2 1 1School of Mechanical Engineering Yangtze University , Jingzhou , 434023 , China; 21Wuchang Shipyard , Wuhan 430063 , China Abstract Mechanical strength problems of the valve body in 527WS - 1 type ship side flap valve in underwater high pressure are analyzed elaborately , using the integrated technology between ANSYS software and Pro2E software.The obtained results show that all of three statuses whose are open , close and waterproof test , the biggest stress value occurs in the valve body when the flap valve is open.This stress value is approximately 65 percent the range of minimum yield strength , the strength condition of valve body is satisfied and the valve is safe in all three statuses.The stress con2 centration effect is weakened with increasing the internal transition radius between two hollow inter2 sectant cylinders of the valve body.It is recommended that the optimization transitional radius is near2 ly 015～018 the thickness of valve body in order to decrease the stress concentration. Key words hull valve ; flap valve ; valve body; CAD 1 概述 527WS - 1型舷侧舌阀是大型船舶和水下潜艇 中重要的关键部件。在使用过程中,若舷侧舌阀的 强度或刚度出现问题,将会导致系统流体渗漏等严 重事故。阀体是舷侧舌阀受力和承载的核心零件。 采用有限元数值分析方法,对阀体在不同工作状态 下的力学行为进行分析,判断其受力集中部位和薄 弱环节,并对应力集中严重的局部进行改进,对于 改善舷侧舌阀的工作性能和提高设计的可靠性具有 重要意义。有限元数值分析方法Finite Element / Finite Element Analysis ,简称FEM/ FEA 是现行国际上大型高耸建筑、水下潜艇和宇航飞船 等重要工程结构强度分析与安全性评价的通用数学 手段[1 - 3]。 2 结构特点 527WS - 1型舷侧舌阀是一种手动控制的机械 式旋塞阀,具有环境介质的反向止回功能,工作压 力为10MPa。阀门在管道上主要作切断用,通常 处于关闭状态或开启状态。另外,阀在性能指标检 验时需承受紧密性压力试验的非工作状态。 图1为527WS - 1型舷侧舌阀阀体的基本形 状,其主体部分系由两个斜交的中空圆柱体构成。 23 阀 门 2008年第3期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 阀体材料为ZCuAl18Mn13Fe3Ni2 ,抗拉强度极限 σb 645MPa ,抗压强度极限σs 280MPa ,适用 于淡水、海水及油品等介质,满足GB 600 - 91验 收技术条件。 图1 舌阀阀体结构模型 3 阀体建模 在舌阀阀体的有限元分析过程中,采用Pro - E软件制作三维实体模型,把ANSYS软件集成在 Pro - E软件中,可从实体模型直接进入应力分析 状态,实现了软件之间的无缝连接[4]。 在ANSYS数值分析中,几何模型的精度十分 重要。由于阀门中的阀体零件的形状比较复杂如 圆角、连接孔等 , 不论是自顶向下的布尔运算还 是自底向上的建模方法都难以实现,所以采用了在 Pro - E中创建舌阀阀体的真实形体几何模型,然 后将模型导入ANSYS中进行有限元分析。由于 ANSYS是直接集成在Pro - E之中,几何模型向分 析模型的转换过程是在不脱离Pro - E和ANSYS 这两个软件的环境下交互进行,从而实现了软件间 的无缝连接,真正做到了CAD/ CAE技术一体化。 311 三维模型的建立 按照舌阀设计图纸,用Pro/ E完成阀体主体部 份的三维造型图 2 。由于阀体的物理形状、材 料和载荷等都具有对称性,为了节省计算机资源, 同时为了显示阀体内腔便于后续过程的加载 , 将研究对象沿对称面截取其一半。 312 单元类型和材料数据 使用ANSYS 910软件在计算机上做3维线弹 性静力分析,根据阀体的结构特点、载荷类型以及 分析的需要,选择砖形六面体单元Solid45 ,此单 元有8个节点。每个节点有3个自由度,可以很好 地描述阀体的受力和变形情况,计算结果精度高。 ANSYS软件所有的分析都要输入材料的物理属性参 数,例如阀体所采用材料的弹性模量和泊松比等。 图2 阀体实体模型R 过渡圆角,R 5mm 图3 实体模型的网格划分 313 网格划分与约束条件 使用网格工具中的Smart Size 智能分网工 具进行分网,并将划分精度定为5 ,系统将自动根 据阀体模型的形状和尺寸、模型局部的曲率、线与 线之间的距离以及所设置的精度级别,自动选择合 适的网格密度进行划分图 3 。 在载荷的作用下阀体的对称面只存在Y和Z 方向的变形,所以选择阀体模型的对称截面,并在 垂直于纸面方向的截面上施加X方向的约束。最 后根据舷侧舌阀的工作原理在图示的位置添加全约 束图4和图5 ,其中只画出了圆角半径R5mm的 添加约束条件图,其他几个不同圆角半径的添加约 束条件图与之完全相同。 4 阀体典型状态下的有限元力学分析 411 关闭状态 关闭状态下阀体的位移变形和应力分布如图6 332008年第3期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 所示。 412 阀体内壁 由图2知,R为阀体主体结构中两斜交中空 圆柱体内壁面的过渡圆角半径,该半径的大小与两 图4 实体模型的约束条件R 5mm 内壁面连接部位的应力分布情况直接相关。设SB 为阀体的壁厚,表1列出了舌阀处于开启工况时, 不同阀体内壁相对圆角半径R0R/ SB下阀体 的最大应力值。 图5 开启时阀体载荷的施加R 5mm 表1 阀体内过渡圆角半径与开启工况最大应力值的关系 舌阀处于开启工况 阀体内壁相对圆角半径R0 0015018110 最大应力值MPa2201886180141917015131841939 相对变化值 1181322218016127 413 开启状态 舌阀在开启时的位移变形和应力分布见图7。 a应力分布图 b位移变形图 图6 舌阀在关闭状态R 5mm a阀体的应力分布图 b阀体的位移变形图 图7 舌阀在开启状态R 5mm 43 阀 门 2008年第3期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 414 试压状态 舌阀在试压状态时的位移变形和应力分布见图 8。 5 结语 1舌阀在开启状态工作时,阀体的受力最 大,但最大应力值只为其材料的塑性强度极限的 65 。阀体表面将无塑性变形出现,满足强度要 求。527WS - 1型舷侧舌阀有2种基本工作状态 即关闭状态和开启状态和1种特殊状态即强 度试验工况。对比图6a和图7a可知,在舌阀开 启时,阀体的受力最大。最大应力出现在阀体内壁 两接缝部位的上端局部见图7a中的圆圈标记 , 但应力集中的区域较小,该处的圆角半径设计值为 5mm。当内压为10MPa时,应力集中区域的最大 应力值为1801419MPa。该应力值小于材料的抗压 强度极限σs 280MPa ,将不会出现严重的塑性变 形,其强度是安全的。在舌阀关闭时,阀体的受力 最大部位是在阀瓣与阀体的密封面上,最大应力值 为691279MPa。该值仅为舌阀开启时,阀体在 10MPa工作压力状态下最大应力值的3814 ,完 全满足强度要求。强度试验工况是舌阀的一种特殊 状态。试验内压为1215MPa时,阀体的最大应力 值出现在阀体的出口端,位于圆周方向,其值为 1261713MPa ,仅为材料的塑性强度极限的45 , 满足强度要求。 a阀体的应力分布图 b阀体的位移变形图 图8 舌阀在强度试验状态R 5mm 2舌阀在试压工况时,其阀体的变形量大 于关闭和开启工况的变形量,但其位移值仅为 10μm量级,小于壁厚的017 ,符合刚度条件要 求。舌阀在关闭工况时,阀体受力变形后的最大位 移量出现在阀瓣与阀体接触部位,其值约为 01014mm ,小于壁厚的012 ,具有足够的刚度条 件。舌阀开启后,阀体在10MPa压力状态下工作, 其阀瓣与阀体接触部位的应力得到释放,应力分布 发生变化。最大应力出现在阀体内壁两接缝部位的 上部,整体变形由于受到边界条件的约束和限制, 其最大位移量出现在阀体的出口端,其值为 01055mm。该最大位移值不足壁厚的016 ,符合 刚度条件。舌阀在强度试验状态下的内压为 1215MPa时,其最大位移量也由于受到边界条件 的约束,出现在阀体的出口端,其值为01069mm。 该最大位移值仅为壁厚的017 ,满足刚度条件要 求。 3改变阀体两斜交中空圆柱体内壁面的过渡 圆角半径,可改善阀体的应力集中状态。舌阀处于 开启状态工作时,阀体的受力最大。增加阀体两斜 交中空圆柱体内壁面的过渡圆角半径R,可适当 改善阀体的应力集中状态。由表1的数据可知,当 相对过渡圆角半径R0 018时,开启工况时阀体 的最大应力集中程度可下降2218 。因此,推荐 阀体内壁斜交处的最佳过渡圆角半径为其壁厚的 015～018 ,该值可为设计时参考。 参考文献 〔1〕 周思柱,袁新梅,罗颖萍.井口阀体有限元计算与简化计算 的比较 〔J〕.石油天然气学报, 2005 , 27 2 , 256 - 257. 〔2〕 王敏,刘金梁,王加庆.超临界截止阀阀体强度应力分析 〔J〕.阀门, 2006 , 3 , 20 - 23. 〔3〕 曹国强,包明宇.基于ANSYS的节流阀阀体结构有限元分 析 〔J〕.通用机械, 2002 ,创刊号, 51 - 53. 〔4〕 张波,盛和太. ANSYS有限元数值分析原理与工程应用 〔M〕.北京清华大学出版社. 2005 , 1 - 494. 收稿日期 20071111 08 532008年第3期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.