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旋塞阀的变形分析与结构优化
更新时间:[2024-03-28] 浏览:1178 次

旋塞阀是最早被人们用来截流的设备,其应用广泛。目前,许多研究者对阀体变形及结构优化做了大量工作,但只是单纯的软件模拟计算。旋塞阀阀体是三通结构,把中腔看做主管,流道视为支管。由于阀体开孔处产生很高的应力集中,使密封面产生较大变形而导致密封泄漏。因此,为了降低应力集中和过大变形,可在开孔附近补强。以下通过在旋塞阀外壁布置加强圈、加强筋结构,并采用复合形法优化,以保证阀门的安全性和经济性。

    1 数学模型

    1.1 设计变量

    在阀体流道开孔壁面上下各设置n道横向加强圈,在横向加强圈之间设置m道纵向加强筋。将所有加强圈、加强筋壁厚都设定为阀体壁厚。在开孔附近进行补强,故取n=1,m=4,则设计变量为4,上、下横向加强圈的宽度分别为h1、h2,纵向加强筋跨度β、高度H,如图1(a)、(b)所示.设计变量为X=[x1x2x3x4T=[h1h2βH]T

图1 阀体加强圈及加强筋结构

    1.2 性能约束

    (1)阀体强度

    加强圈在其间距段的全面积上均匀地承受内压,将横向和纵向加强筋的壁厚等效均匀地分布到阀体上,取横向加强圈与纵向加强筋对阀体增加的当量壁厚的平均值为Δδ(X),则

        (1)

    其中:δ为阀体壁厚(mm);θ1为阀体实际角度的一半(°)。三通结构阀体是薄壁管件,在内压作用下,除承受薄膜应力外(受到应力集中系数的影响),还存在弯曲应力的作用。主管可看成受内压p及支管与阀体相贯线上受拉力q的共同作用。内压p产生的环向应力为

        (2)

    内压P产生的轴向应力为

        (3)

    其中:Dp为主管平均直径(mm);K1为应力集中系数。支管的单位长度拉力为

        (4)

    其中:dp为支管平均直径(mm);p1为密封比压(MPa);ro、ri分别为阀体密封面的外半径、内半径(mm)。

    q可分解成主管径向力q′=qcosα1及环向力q″=qsinα1。它们所产生的环向及轴向应力可近似为

        (5)

        (6)

    其中ω1(X)为折算抗弯截面系数;ω1(X)=K(X)[δ+δ0为支管壁厚(与阀体壁厚δ相等)(mm);α1为q′与支管轴线的夹角(°);μ为泊松比。

    根据圆筒容器小开孔应力分析,开孔最大应力发生在α1=0处,将该值代入式(5)、式(6),可得环向应力和最大轴向应力,并分别与式(2)、式(3)中的薄膜应力叠加后,得总的环向应力及轴向应力为

        (7)

        (8)

    根据最大剪应力强度理论:对于薄壁元件,径向应力为σ3(X)=σr(X)=0。比较式(7)、式(8)中,σθ(X)、σz(X)的大小,σθ(X)=σ1(X)。则当量应力为σd(X)=σ1(X)-σ3(X)≤[σ]。

    (2)密封面变形

    根据物理方程和几何方程,通过积分求得密封面处阀体变形如下:

    

    其中:d为支管内径(mm);z为阀体高度(mm);r为阀体中径处半径(mm);K2为阀体除开孔处弧度;

    εr(X)、εz(X)分别为径向应变、轴向应变;u(X)、υ(X)、w(X)、z(X)、f(X)分别为阀体径向变形、周向变形、轴向变形、阀体等效高度及总体变形(mm)。

    1.3 目标函数及边界约束

    (1)目标函数

    加强圈和加强筋的体积若为ΔV(X)。要使ΔV(X)最小,必须满足性能约束的临界条件:①满足应力要求:σd=σ1-σ3=[σ]时,得到阀体增加当量壁厚δ1;②满足变形要求:f(X)=0.001DN时,阀体变形满足密封要求,得到阀体增加当量壁厚δ2,其中DN为阀体公称直径。则取Δδ(X)=max(δ1,δ2),其最小体积为

    

    其中:θ2为阀体周角(°);r1为支管外半径(mm);R1为锥形阀体大端外半径(mm)。

    (2)边界约束

    条件为ximin≤xi≤ximax(i=1,2,3,4),其中:ximax、ximin分别为设计变量上、下极限。

    2 实例分析

    以材料为ZG1Cr5Mo,公称直径为DN=200mm的旋塞阀为例,其物理参数及结构参数见表1。

表1 物理参数及结构参数

    2.1 原设计结构阀体应力及变形分析

    根据阀体物理参数及结构参数,由理论计算公式(7)、式(13)和数值计算方法分别计算阀门关闭时原设计结构阀体应力和变形,计算结果如表2所列。数值计算云图如图2、图3所示。             

表2 原设计结构阀体应力及密封面变形分析

图2 原设计结构阀体强度

图3 原设计结构密封面变形

    由上述计算结果可知:阀体开孔处的应力大于许用应力,主管与支管交界处变形量>0.001DN,该阀体应力及密封面变形都不满足要求.综上所述,该阀体需要设置加强件以降低应力集中及密封面变形,我们采用复合形法优化设置加强圈和加强筋。

    2.2 加强圈、加强筋结构参数优化

    加强圈、加强筋设计变量极限值如表3所列。取复合形顶点数P=5,反射系数γ=1.3,精度

    

    初始可行点

    

    共迭代37次,得到满足精度要求的最优点

    

    此时:

    minΔV(X*)=1.89912e+006

表3 设计变量极限值

    各设计变量对目标函数的影响分别见图4(a)、(b)、(c)、(d)。

    各设计变量共同作用下,ΔV(X)变化大致有以下规律:上、下横向加强圈宽度越小,体积越小,当分别趋于13mm、14mm时,体积最小;纵向加强筋跨度越大,体积越小,当趋于36.8°时,体积最小;纵向加强筋高度越小,体积越小,当趋于234mm时,体积最小。

    2.3 优化结构阀体应力及变形分析

    利用体积最小的设计变量优化阀体加强圈和加强筋结构,通过理论计算及有限元数值模拟分析阀体开孔处的应力σ1(X*)和密封面变形f(X*),计算结果见表4。优化后,阀体应力云图见图5,密封面变形云图见图6。

    由表4可以看出,两者计算结果基本吻合,阀体应力约等于应力临界值,阀体密封面变形满足变形条件。

    3 结论

    (1)三通结构旋塞阀开孔处产生的应力集中,使阀体密封面变形过大而导致密封泄漏。为解决上述问题,在阀体外侧布置加强圈及加强筋结构,并采用复合形法优化。

    (2)最优化结果表明:适当减小横向加强圈宽度,增大纵向加强筋跨度,降低纵向加强筋高度,会使加强圈和加强筋的体积减小,优化后比优化前体积降低了20.96%。

图4 各设计变量对目标函数的影响

表4 优化结构阀体应力及密封面变形分析

图5 优化结构阀体强度

图6 优化结构密封面变形

    (3)优化后的阀体应力及密封面变形分别满足各自的规定要求,比原设计结构的阀体应力和密封面变形量分别降低了28.57%和33.14%。



 

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