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蝶閥的有限元分析和設計

發布於:2024-06-27 19:26
有限元分析

      三偏心蝶閥的設計要求能在介質正逆流雙向工況下工作。所謂正流是介質流向與碟板關閉方向一致,逆流是介質流向與碟板關閉方向相反。本文隻分析了正流向下的工況。圖是碟板處於關閉且在介質正流PN11.2MPa的工況下,密封麵上壓力分布圖。如圖可以分析得到:蝶閥密封麵錐度較小的一側比密封麵錐度較大的一側,密封壓力要大,但是密封壓力在驅動軸和從動軸端處比較接近。
      圖是密封圈的等效應力值,而且隨時間變化,在有限元分析時載荷步第一步施加完成後,密封圈的等效應力值就達到973MPa,這個值已經超過了密封圈材料的屈服強度,說明此時密封圈發生了塑性變形。隨著閥門的關閉和介質正流向壓強的施加,密封圈的等效應力值不斷增大,並在最終狀態下達到2250MPa。密封圈等效應力值的分析對密封圈的設計非常有意義,而且此結果與密封圈在實際工況下受力後的狀態一致。
      三偏心蝶閥密封麵是斜圓錐表麵,閥座和密封圈的正截麵均為橢圓,這正是其設計和製造的難點及關鍵,也是目前不能準確計算摩擦力矩的原因所在。圖是蝶閥在整個模擬過程中關閉扭矩值的變化。由於在第一載荷步過程中施加的是壓緊環的位移,在這過程中密封圈和碟板幾乎不接觸,所以理論上關閉扭矩幾乎為0。從分析的結果圖中可以看到,到第一載荷步施加完成之後扭矩值為21N.m,說明實際情況下壓緊環在壓緊密封圈的過程中,密封圈產生了變形,導致密封圈與碟板有很小的接觸,因此產生扭矩值。在第二載荷步過程中施加的是驅動軸旋轉角度,在這個過程中驅動軸帶動碟板一起旋轉,直到驅動軸末端處於完全關閉的位置。在這個過程中碟板與密封圈一直處於接觸狀態,而且理論上隨著關閉角度的增大,關閉扭矩值也不斷增加。從分析的結果圖中可以看到,關閉扭矩值也是處於不斷增加的過程中,直到驅動軸處於關閉位置,此時關閉扭矩達到最大值4075N.m。由於在最後一個載荷步過程中,對關閉扭矩值的分析沒有意義,所以忽略此載荷步下的關閉扭矩值。
      基於CAD/CAE集成的參數化設計,利用三維建模軟件SolidWorks以及有限元分析軟件ANSYS的無縫連接,應用有限元理論和非線性接觸模型,不僅實現了三偏心蝶閥的參數化零件設計,同時實現了產品的有限元分析和性能評價,並得到了以下結論:(1)將非線性接觸問題的有限元分析理論與數值模擬相結合,對三偏心蝶閥的模型、網格劃分、邊界條件進行了數值仿真。(2)通過數值仿真得到密封麵上應力分布規律,較全麵地反映了三偏心蝶閥在實際工況下的受力狀態,並找出了最大和最小接觸壓力的發生位置。(3)本文得到了在閥門關閉過程中所需的關閉扭矩值,這對三偏心蝶閥的設計具有指導意義。


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