旋塞閥閥體的變形分析與結構優(yōu)化

2014-08-20 雷林林蘭州理工大學

　　為了解決旋塞閥閥體密封泄漏問題，采用在閥體外側布置加強圈、加強筋的方法以降低閥體應力和變形。利用有限元模擬對比分析，并采用復合形法優(yōu)化加強圈、加強筋結構。結果表明，優(yōu)化后，閥體密封良好，閥體體積增加最小。

　　旋塞閥是最早被人們用來截流的設備，其應用廣泛。目前，許多研究者對閥體變形及結構優(yōu)化做了大量工作，但只是單純的軟件模擬計算。旋塞閥閥體是三通結構，把中腔看做主管，流道視為支管。由于閥體開孔處產(chǎn)生很高的應力集中，使密封面產(chǎn)生較大變形而導致密封泄漏。因此，為了降低應力集中和過大變形，可在開孔附近補強。以下通過在旋塞閥外壁布置加強圈、加強筋結構，并采用復合形法優(yōu)化，以保證閥門的安全性和經(jīng)濟性。

1、數(shù)學模型

　　1.1、設計變量

　　在閥體流道開孔壁面上下各設置n道橫向加強圈，在橫向加強圈之間設置m道縱向加強筋。將所有加強圈、加強筋壁厚都設定為閥體壁厚。在開孔附近進行補強，故取n=1，m=4，則設計變量為4，上、下橫向加強圈的寬度分別為h1、h2，縱向加強筋跨度β、高度H，如圖1(a)、(b)所示.設計變量為X=[x1x2x3x4]T=[h1h2βH]T。

圖1 閥體加強圈及加強筋結構

　　1.2、性能約束

　　(1)閥體強度

　　加強圈在其間距段的全面積上均勻地承受內(nèi)壓，將橫向和縱向加強筋的壁厚等效均勻地分布到閥體上，取橫向加強圈與縱向加強筋對閥體增加的當量壁厚的平均值為Δδ(X)，則

(1)

　　其中：δ為閥體壁厚(mm);θ1為閥體實際角度的一半(°)。三通結構閥體是薄壁管件，在內(nèi)壓作用下，除承受薄膜應力外(受到應力集中系數(shù)的影響)，還存在彎曲應力的作用。主管可看成受內(nèi)壓p及支管與閥體相貫線上受拉力q的共同作用。內(nèi)壓p產(chǎn)生的環(huán)向應力為

(2)

　　內(nèi)壓P產(chǎn)生的軸向應力為

(3)

　　其中：Dp為主管平均直徑(mm);K1為應力集中系數(shù)。支管的單位長度拉力為

(4)

　　其中：dp為支管平均直徑(mm);p1為密封比壓(MPa);ro、ri分別為閥體密封面的外半徑、內(nèi)半徑(mm)。

　　q可分解成主管徑向力q′=qcosα1及環(huán)向力q″=qsinα1。它們所產(chǎn)生的環(huán)向及軸向應力可近似為

旋塞閥閥體的變形分析與結構優(yōu)化

　　δ0為支管壁厚(與閥體壁厚δ相等)(mm);α1為q′與支管軸線的夾角(°);μ為泊松比。根據(jù)圓筒容器小開孔應力分析，開孔最大應力發(fā)生在α1=0處，將該值代入式(5)、式(6)，可得環(huán)向應力

旋塞閥閥體的變形分析與結構優(yōu)化

　　根據(jù)最大剪應力強度理論：對于薄壁元件，徑向應力為σ3(X)=σr(X)=0。比較式(7)、式(8)中，σθ(X)、σz(X)的大小，σθ(X)=σ1(X)。則當量應力為σd(X)=σ1(X)-σ3(X)≤[σ]。

　　(2)密封面變形

　　根據(jù)物理方程和幾何方程，通過積分求得密封面處閥體變形如下：

　　其中：d為支管內(nèi)徑(mm);z為閥體高度(mm);r為閥體中徑處半徑(mm);K2為閥體除開孔處弧度;

　　εr(X)、εz(X)分別為徑向應變、軸向應變;u(X)、υ(X)、w(X)、z(X)、f(X)分別為閥體徑向變形、周向變形、軸向變形、閥體等效高度及總體變形(mm)。

　　1.3、目標函數(shù)及邊界約束

　　(1)目標函數(shù)

　　加強圈和加強筋的體積若為ΔV(X)。要使ΔV(X)最小，必須滿足性能約束的臨界條件：①滿足應力要求：σd=σ1-σ3=[σ]時，得到閥體增加當量壁厚δ1;②滿足變形要求：f(X)=0.001DN時，閥體變形滿足密封要求，得到閥體增加當量壁厚δ2，其中DN為閥體公稱直徑。則取Δδ(X)=max(δ1，δ2)，其最小體積為