劉一強(qiáng)

摘要：應(yīng)用有限元分析方法建立密封系統(tǒng)的三維有限元模型，以ANSYS Workbench有限元分析軟件為基礎(chǔ)計(jì)算法蘭與墊片之間的應(yīng)力場(chǎng)和接觸壓力。然后根據(jù)分析結(jié)果，尤其是接觸面之間的接觸壓力，并結(jié)合密封面計(jì)算比壓的理論計(jì)算公式，對(duì)有限元方法分析閥體密封性能進(jìn)行驗(yàn)證。為合理、科學(xué)的閥體密封泄漏原因分析提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：球閥；有限元；密封；接觸壓力

引言

閥門的強(qiáng)度、剛度以及密封性能是閥門最重要的技術(shù)性能指標(biāo)。強(qiáng)度失效和密封失效是閥門最常見的兩種失效形式。在設(shè)計(jì)時(shí)要求必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證長(zhǎng)期使用而不發(fā)生破裂或者產(chǎn)生變形；要求閥門各密封部位有合理的密封比壓，以保證密封部件既不損傷又能有良好的緊密度，以阻止介質(zhì)泄漏。閥體、閥蓋的強(qiáng)度分析已經(jīng)很成熟，而阻礙現(xiàn)代密封設(shè)計(jì)應(yīng)用的因素有：密封結(jié)構(gòu)中包含復(fù)雜材料特性的密封元件；有限元求解過程中包含接觸分析；密封結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)中遇到的不穩(wěn)定工況，如溫度、壓力、密封介質(zhì)特性等。因此，大多數(shù)情況下設(shè)計(jì)人員沿用傳統(tǒng)的憑借經(jīng)驗(yàn)來確定密封結(jié)構(gòu)的方法。而基于經(jīng)典力學(xué)理論的常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法由于其固有的局限性，對(duì)于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、多載荷作用下的計(jì)算是無能為力的，即使對(duì)于受簡(jiǎn)單邊界條件的結(jié)構(gòu)，也會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜使得計(jì)算不準(zhǔn)確，甚至與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。隨著有限元分析方法的發(fā)展，基于有限元法數(shù)值模擬成為解決這些復(fù)雜問題的利器，很多學(xué)者及技術(shù)人員，對(duì)閥門單個(gè)零件或整體進(jìn)行了有限元計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析。

ANSYS是當(dāng)前使用最廣泛的大型通用有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的求解器，可以對(duì)結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。但是ANSYS的建模能力相對(duì)薄弱，并對(duì)分析模型要求苛刻。為解決該問題，ANSYS為目前主流的CAD軟件提供了預(yù)留接口，SolidWorks也在其中。

本文以球閥為研究對(duì)象，考慮部件之間的接觸作用，建立起閥體、閥蓋、墊片、螺栓與螺母一體化的三維模型，針對(duì)金屬纏繞墊片的非線性特點(diǎn)，使用有限元分析軟件ANSYS獲得接觸面之間的接觸壓力，以及螺栓拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，為密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1.用SolidWorks建立分析模型

由于本分析主要研究密封面之間的密封性能，因此在三維建模時(shí)，忽略其他不考慮且對(duì)分析結(jié)果影響很小的部件，這樣不僅節(jié)約了計(jì)算機(jī)資源，而且提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本例以DN50、PN50的球閥為例，利用三維建模軟件Solidworks強(qiáng)大的實(shí)體建模功能進(jìn)行實(shí)體建模，并對(duì)各零件進(jìn)行組裝，生成裝配體，其中截面剖視圖，如圖1所示。

2.有限元分析

2.1模型導(dǎo)入

由于該閥門幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件呈左右對(duì)稱，在有限的時(shí)間內(nèi)，為減少工作量，取模型的1/2作為研究對(duì)象并建立有限元計(jì)算模型。通過SolidWorks和ANSYS軟件的無縫接口，將球閥模型導(dǎo)入ANSYS軟件，從而實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)連接。

2.2設(shè)置單元類型并劃分網(wǎng)格

在本計(jì)算模型中，共選用了四種單元，高階次實(shí)體單元MESH200，面面接觸單元TARGE170與CONTA174，螺栓預(yù)緊單元PRETS179。

網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)格形式的選取是決定網(wǎng)格品質(zhì)和結(jié)果精度的重要因素。如果網(wǎng)格單元太小，會(huì)造成網(wǎng)格過密，導(dǎo)致計(jì)算成本過高。本例中由于我們重點(diǎn)關(guān)注墊片與法蘭接觸面處的接觸應(yīng)力，所以只需要細(xì)化法蘭與墊片接觸面的網(wǎng)格，而其他位置的網(wǎng)格不用過于細(xì)化。本模型為四面體和六面體劃分，一共64143個(gè)單元，109699個(gè)結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.3設(shè)置材料屬性

閥體和閥蓋材料為CF8M，其彈性模量為2.06E5MPa，泊松比為0.29；螺栓材料為B8M，螺母材料為8M，兩者的彈性模量都為2E5MPa，泊松比為0.3；墊片材料為AISI316L+GRAPHITE，屬于非線性材料，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

2.4施加約束和載荷

按照閥門現(xiàn)場(chǎng)工作的受力狀態(tài)，對(duì)模型分別施加以下約束條件：

（1）添加對(duì)稱約束：由于本模型是對(duì)稱模型，所以在模型的對(duì)稱截面上施加對(duì)稱約束。

（2）添加位移約束：為了使模擬與實(shí)際情況更接近，對(duì)閥體進(jìn)口端的法蘭孔上施加軸向和徑向約束，切向自由的位移邊界。

（3）施加螺栓預(yù)緊力：根據(jù)螺栓施加扭矩和螺栓預(yù)緊力的計(jì)算公式，得螺栓預(yù)緊力為20833N。

（4）施加壓強(qiáng)：在閥體和閥蓋的殼體內(nèi)表面上施加5MPa壓強(qiáng)。

由于本計(jì)算中既有螺栓預(yù)緊力，又有壓強(qiáng)，在施加載荷時(shí)把載荷步分為兩步，第一步施加螺栓預(yù)緊力，第二步施加壓強(qiáng)。

2.5計(jì)算結(jié)果及分析

此分析可以全面研究螺栓法蘭墊片系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律和密封機(jī)理，能得到法蘭墊片密封系統(tǒng)各部件的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，尤其可以獲得墊片的壓縮量、墊片與接觸狀態(tài)、接觸應(yīng)力、結(jié)合面的間隙等很重要的具體數(shù)據(jù)。這里僅給出部分的計(jì)算結(jié)果，著重分析球閥閥體的密封。

在施加螺栓預(yù)緊力和內(nèi)部壓強(qiáng)的工況下，墊片的應(yīng)力分布呈復(fù)雜狀態(tài)。要保證良好的密封性能，必須在墊片上形成一條壓應(yīng)力不小于密封必壓的周向閉合環(huán)帶，這里有幾個(gè)要求：一是環(huán)帶必須要閉合，否則會(huì)泄漏；二是壓力不能過大，否則墊片被壓潰；三是閉合環(huán)帶的應(yīng)力分布盡量均勻；四是閉合環(huán)帶寬度越大越好。根據(jù)非金屬纏繞墊片的材料性能參數(shù)，要求墊片的壓應(yīng)力應(yīng)不小于69MPa，以保證密封性能。

圖5為閥體的變形云圖，圖6為閥蓋的變形云圖，從圖中可以看出，由螺栓連接的兩個(gè)法蘭內(nèi)側(cè)相對(duì)原來位置張開，而它們的外緣則產(chǎn)生相互靠近的變形，使得螺栓除了拉伸變形外，還會(huì)產(chǎn)生由向外彎曲變形，從而引起拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力合成的應(yīng)力強(qiáng)度。在預(yù)緊力和內(nèi)壓力的作用下，墊片受壓，但是由于上述變形條件下，墊片的外緣密封效果會(huì)好于內(nèi)側(cè)密封。

圖7為螺栓的拉應(yīng)力強(qiáng)度，由于結(jié)構(gòu)的周期不對(duì)稱性，各個(gè)螺栓的應(yīng)力狀態(tài)及大小是不一樣的，中間螺栓的應(yīng)力最大。在此工況中，由于螺栓預(yù)緊力作用而引起，以拉伸應(yīng)力為主和少量彎曲應(yīng)力合成的應(yīng)力強(qiáng)度值為403MPa，低于螺栓的抗拉強(qiáng)度值640MPa。

圖8為墊片與閥體的接觸應(yīng)力的分布云圖，圖9為墊片與閥蓋的接觸應(yīng)力的分布云圖，可以看出墊片上的接觸應(yīng)力分布不是均勻分布的。墊片與閥體的接觸應(yīng)力和墊片與閥蓋的接觸應(yīng)力差別不大，墊片徑向接觸應(yīng)力狀態(tài)差別較大，墊片的外緣受壓縮作用比較顯著，所以墊片外緣處的接觸應(yīng)力比較大。為了保證緊密性，要求在墊片的周向壓緊面上必須存在一條壓應(yīng)力不小于必需密封比壓的閉合環(huán)帶，否則就會(huì)泄漏。查標(biāo)準(zhǔn)知金屬纏繞墊片的必需密封比壓為69MPa，對(duì)比兩個(gè)接觸面上的接觸壓力，可知此閥門不會(huì)產(chǎn)生泄漏。

根據(jù)《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》密封面計(jì)算比壓的計(jì)算公式算得墊片與法蘭接觸面間的密封面計(jì)算比壓為92.9MPa,而這個(gè)值只是一個(gè)理論值，并不能代表密封面上每點(diǎn)處的密封壓力值。通過有限元方法算得的密封面上的密封壓力，能實(shí)際反映具體工況下，密封面上每點(diǎn)處的密封壓力，取分析所得的墊片與閥體的接觸應(yīng)力的平均值為90.55MPa，與密封面計(jì)算比壓的誤差為2.5%；取墊片與閥蓋的接觸應(yīng)力的平均值為88.19MPa，與密封面計(jì)算比壓的誤差為5%，說明分析的結(jié)果非?？煽?。

3.結(jié)論

通過以上實(shí)例證明了利用三維建模軟件SolidWorks以及有限元分析軟件ANSYS的無縫連接，應(yīng)用有限元理論和非線性接觸模型，完全可以對(duì)墊片與法蘭處的接觸狀態(tài)進(jìn)行精確地分析，此方法保證了設(shè)計(jì)的可靠性和完整性，為閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一個(gè)參考的技術(shù)途徑。

4.參考文獻(xiàn)

[1]劉溪娟，劉承宗，林鈞毅，等.一種含超彈性問題的密封結(jié)構(gòu)的有限元求解方法[J].中國(guó)機(jī)械工程，2001,12（11）：1211-1213.

[2]洪勉成，陸陪文，高鳳琴.閥門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)[K].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994:25-33.

[3]楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[4]張瑾.基于Pro/E和ANSYS的閥門實(shí)體建模與有限元分析[J].2008，（1）

[5]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[6]鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學(xué)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2007.