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基于Pr0/E和ANSYS软件的阀门结构设计

来源: 上海阀门时间: 2012-05-22 点击: 7,157

1．引言

阀门的强度和刚性在阀门设计中是非常重要的，然而，在有关设计手册和材料力学中，对这方面的描述很少，设计人员只能近似计算或根据经验类比设计，存在较大风险，特别是一些高压力、大口径的阀门，问题更多。近年来，随着有限元分析理论的普及，特别是很多通用有限元分析软件的使用，使得阀门强度和刚性的计算变得较为容易。

2．有限元分析的力学基础简介

有限元分析的数学基础是变分原理，基本思想是离散化和分片插值，用网格去逼近所分析的物体。设想把一个连续的弹性体用一个离散的结构物来代替，这一离散结构由若干个有限大小的构件在节点上相互铰接而成。这些构件称有限单元，或简称为单元，铰接点称为节点。在有限元法中，通常是以位移作为基本未知量，弹性体受力后，其内部各点将沿X，y，Z三个坐标方向发生位移，如各点沿x、y、z方向的位移以U，V，W表示，即

U=U(X，y，Z) V=V(X，y，Z) W=(X，y，Z)

由弹性力学几何方程可知，应变与位移间的几何关系是：

式中：ε_x、ε_y、ε_z为三个方向的线应变，γ_xy、γ_yz、γ_zx为剪应变。

上述分量可用阵列{ε}表示

{ε}=[B]{δ}

ε：应变 [B]：应变矩阵 [δ]：节点位移

由弹性力学物理方程可知，在线弹性范围内，应力应变间的物理关系可用矩阵形式表示为：

{б}=[D]{ε}

[D]：弹性系数矩阵

而根据虚功原理，单元的节点力可表示为{F}=[K][δ]

{F}：单元的节点力 [K]：单位的刚度矩阵

然后，我们再将每个单元上的外载荷等效地移置到各节点，这样，求解应力应变就变成了如何确定单元的节点位移。一个离散化的结构是由若干个单元组成的，各单元在节点上用铰相互连接，就某一指定的单元来说，周围各相邻单元对它的作用就是节点力，而作用于结构上的外载荷又都已向各单元相互铰接的节点移置，这样，连接各单元的节点，即受到节点力的作用，又受到移置后的外载荷的作用，于是可以建立各节点移置载荷和节点力之间的平衡条件，组成整体刚度矩阵，得到以节点位移为未知量的线性方程组，解以上线性方程组就可以求出节点位移，从而求出应变和应力。

3．有限元模型建立和结构分析

3.1 ANSYS与Pro/E软件的无缝连接

ANSYS有限元分析软件是当前最为流行的大型通用有限元分析软件之一，在国防、交通、土木水利工程、汽车、机械工程等各个领域得到了广泛的应用，覆盖了力学、热学、流体力学、电磁学等各个学科。它主要由3个模块组成：前处理、求解及后处理。在前处理模块中，ANSYS提供了实体建模和直接建模工具，但对于比较复杂的模型，ANSYS建模还是比较麻烦，人们更习惯从Pro/E、UG等程序中建模，再导入ANSYS中。Pro/E是美国参数化设计公司(PTC)推出的三维造型软件，具有非常强大的实体造型能力，它与ANSYS的连接可采用IGES(Initial Graphics Exctlange Specification)文件交换共享，也可以将ANSYS集成在Pro/E中，实现无缝连接。连接方式为：开始>程序>ANSYSl0>utilities>ANS_ADMIN→Configuration options→Configuration Connection for pro/E，确定后在打开的对话框内将图形显示设备设置为3D，最后在Pro/E安装信息框输入Pro/E的安装路径，确定后即完成连接。打开Pro/E，在菜单管理器中有了 ANSConConfig和ANSYSGeom菜单。完成建模后，直接点击ANSYS Geom，系统自动打开ANSYS将当前模型导入到ANSYS中，然后“plot”“Volume”选项，就可以将实体模型显示出现，从而实现无缝连接。对于ansysll.0，由于ANSYsll-utilities-ANS_ADMIN菜单中取消了Configuration Configuration for pro/E项，因此需要在安装时配置：首先安装pro/e，记住安装路径，当安装ansysll.O时，在对话框窗口把有关与pro/e无缝集成的选项前的复选框内打上钩，当提示你输入pro/E的安装路径时，输入相关路径，既可完成联接。

需要注意的是：连接时要注意版本配合，Pro/E版本不能高于ANSYS同期版本。

3．2 有限元模型建立和荷载施加

3.2.1 几何模型建立

在Pro/E中，通过拉伸、旋转、混合等手段建立水轮机进水蝶阀(如图)阀体和蝶板三维模型，对一些与强度和刚度关系不大的细部结构，可以进行简化。由于蝶阀几何形状和受力状况为对称结构，为节约计算机运算时间，可以只选取一半来分析。建模时，应注意单位的统一，建议使用国际单位制。长度：m，力：N，质量：千克。

3．2．2 单元选取和网格划分

对阀门和蝶板，可选取用十节点的solidl87单元，利用ANSYS智能网格划分工具MeshToot，采用四面体自由划分网格。网格的疏密程度可根据产品要求决定，对重要部位可局部细化。

3．2．3阀体约束及荷载

进水蝶阀阀体上游法兰与上游短管联接，上游短管与进水钢管焊接，下游法兰与下游短管和伸缩节连接，故可在上游法兰上施加固定约束，而下游法兰呈自由状态，然后在剖断部分加上对称约束。阀门在动水关闭时和水压试验时，阀体受力最大，此时阀体承受管道的水压力，轴头部位还承受通过阀轴传来的集中力，因而在分析时，在阀体体筒内表面施加压力荷载，在轴头部位施加集中力荷。

3．2．4 蝶板约束及荷载

施加固定约束与阀轴外圆上，在剖断处，施加对称约束，在蝶板平面施加均布压力，即完成对蝶板的载荷施加。载荷施加完毕后，即可进行求解运算。

4．结果分析

通过 ANSYS 的通用后处理器，我们可以得到产品的主应力、剪应力、等效应力以及产品变形等彩色云图，再根据强度理论来判断产品的受力情况。对于脆性材料，通常采用第一强度理论，使第一主应力б₁≤[б]，对于塑性材料，则采用第四强度理论，使等效应力Von Mises stressa≤[б]即能满足强度要求，至于变形程度则根据产品设计需求确定。从阀体和蝶板应力和变形云图中，可看出阀体最大应力为160MPa，最大变形为0.391mm。均位于轴头处。蝶S板最大应力为164MPa，筋板边缘和阀轴根部应力较大。最大变形为1.187mm，位于蝶板中部边缘。