由于大口徑閘閥閥體容納閘板的內(nèi)腔通常為扁圓形或接近橢圓形的異形容器，所以它的變形較大，如大圓和小圓的倒角處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。針對(duì)這些情形，通過采用在閥體內(nèi)腔外圍加筋的方案來解決這些問題。本文以閥體最大等效應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)，加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計(jì)變量，采用有限元軟件ANSYS—Workbench的DX模塊中的確定性優(yōu)化方怯對(duì)筋的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使筋的結(jié)構(gòu)分布更合理，使得整個(gè)閥體變形協(xié)調(diào)，最大等效應(yīng)力顯著下降。

1．閥體有限元模型建立及優(yōu)化分析過程

1．1 三維參數(shù)化模型的建立

閥體的參數(shù)化模型應(yīng)該能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，即其形狀、邊界條件和載荷與實(shí)際情況要保持一致，同時(shí)在保證計(jì)算精度的情況下，模型應(yīng)盡可能簡化。因此在建模過程中對(duì)閥體的一些不影響總體性能的特征進(jìn)行了簡化處理，忽略了一些不必要的倒角，最后的計(jì)算模型。

閥體的材料為WCB，材料特性為：楊氏彈性模量E=206GPa，泊松比μ=O.25，材料的許用應(yīng)力[σ]=120.69MPa。

以閥體為分析對(duì)象，模擬閥體在水壓試驗(yàn)時(shí)的受力狀況。閥體在水壓試驗(yàn)時(shí)，在閥體進(jìn)出口兩端法蘭施加固定約束，中法蘭施加y方向約束；根據(jù)閥門水壓試驗(yàn)要求，按設(shè)計(jì)壓力的1.5倍在閥體內(nèi)表面施加7.5MPa壓力作為計(jì)算壓力。

依據(jù)圖紙建立大口徑閘閥，進(jìn)行有限元單元?jiǎng)澐郑邢拊W(wǎng)格單元的類型為10節(jié)點(diǎn)四面體，單元基本大小為30mm，單元總數(shù)目為30383個(gè)。

1．2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算機(jī)求解后，得到由第三強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)的閥體等效應(yīng)力。閥體最大等效應(yīng)力為151.65MPa，最大等效應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力范圍，在閥體中腔有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；閥體最大位移為0.14735mm，也出現(xiàn)在閥體中腔處。原因是此處形狀發(fā)生突變，并且截面為近似橢圓體形狀，受力狀況不好。因此，在閥體中腔外部加加強(qiáng)筋，以此增加閥體強(qiáng)度，降低閥體最大等效應(yīng)力，位移變形量，使閥體變形協(xié)調(diào)。

1．3 加筋后的模型

根據(jù)閘閥中腔外壁的結(jié)構(gòu)尺寸加三筋，三筋中靠近中法蘭的為第一條筋，往下依次為第二條筋和第三條筋，第一條筋處中腔外壁形狀接近圓形，筋設(shè)計(jì)成圓形；第二條筋和第三條筋設(shè)計(jì)成近似橢圓形。

加強(qiáng)筋有沿厚度方向和垂直于厚度的徑向方向。

在徑向方向，近似橢圓形結(jié)構(gòu)尺寸主要由小圓半徑R₁，大圓半徑R₂，過渡倒角R₆決定。

圓形結(jié)構(gòu)尺寸由圓半徑R決定。分別以：

第一條筋的圓半徑r₁=314.4mm為第一個(gè)參數(shù)；

第二條筋的小圓半徑r₂=314.4mm，大圓半徑r₃=1275mm，過渡倒角r₄=200mm為第二,三，四個(gè)參數(shù)；

第三條筋的小圓半徑r₅=314.4mm，大圓半徑r₆=1230mm，過渡導(dǎo)角r₇=100mm為第五，六，七個(gè)參數(shù)。

在厚度方向，分別以：

第一條筋的厚度h₁=30mm為第八個(gè)參數(shù)；

第二條筋的厚度h₂=30mm為第九個(gè)參數(shù)；

第三條筋的厚度，h₃=30mm為第十個(gè)參數(shù)。

1．4 加筋后的計(jì)算結(jié)果

加筋后，進(jìn)行力學(xué)分析，閥體最大等效應(yīng)力下降為100.23MPa。閥體中腔處最大位移減小為0.086868mm。

加筋后，閥的質(zhì)量由原來的616.3kg增加到654.4kg。筋的質(zhì)量增加了38.1kg增加了6.18個(gè)百分點(diǎn)．閥體最大等效應(yīng)力由151.65MPa下降為l00.23MPa，下降了33.9個(gè)百分點(diǎn)。并且應(yīng)力分布更加均勻。閥體中腔處的位移也顯著下降。

但這還不是最理想結(jié)果，本文研究的大口徑閘閥閥體中腔為連續(xù)漸變的橢圓結(jié)構(gòu)，其受力十分復(fù)雜，在其外部加的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)參數(shù)也多。我們不能盲目通過增加筋的厚度和橫向尺寸，來降低閥體的應(yīng)力，這樣會(huì)增加閥體質(zhì)量和成本；除此之外，閥體還受鑄造工藝。安裝要求的限制。因此，我們也不能盲目增加加強(qiáng)筋，有必要對(duì)加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。即在一定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。因?yàn)楹侠淼募訌?qiáng)筋結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布更能提高閥體強(qiáng)度與剛度。

2．閥體加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2．1 影響闐體強(qiáng)度的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)參數(shù)化及其優(yōu)化

以閥體質(zhì)量約束條件下閥體最大等效應(yīng)力更小化為目標(biāo)函數(shù)，以閥體加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的尺寸作為設(shè)計(jì)變量，對(duì)閥體加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文僅以加強(qiáng)筋的六個(gè)主要參數(shù)來研究它們對(duì)閥體最大等效應(yīng)力影響。

對(duì)加強(qiáng)筋r₁,r₃,r₆,h₁,h₂,h₃的進(jìn)行參數(shù)化，分別以這些參數(shù)為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化。

(1)優(yōu)化目標(biāo)：閥體最大等效應(yīng)力。

(2)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)參數(shù)化

第一條筋的半徑ds_R1為設(shè)計(jì)變量，初值為314.4mm，根據(jù)螺栓安裝要求確定優(yōu)化范圍為290～330/mm；

第二條筋的大圓半徑ds_R2為設(shè)計(jì)變量，初值為1275mm，根據(jù)閥安裝要求確定優(yōu)化范圍為1250～1310/mm；

第三條筋的大圓半徑ds_R3為設(shè)計(jì)變量，初值為1230mm，根據(jù)閥安裝要求確定優(yōu)化范圍為1210～1270/mm；

第一條筋的一半厚度ds_FD1為設(shè)計(jì)變量，初值為15mm，根據(jù)螺栓安裝要求確定優(yōu)化范圍為7～15/mm；

第二條筋的一半厚度ds_FD2為設(shè)計(jì)變量，初值為15mm，根據(jù)鑄造要求確定優(yōu)化范圍為7～20/mm；

第三條筋的一半厚度ds_FD3為設(shè)計(jì)變量，初值為15mm，根據(jù)鑄造要求確定優(yōu)化范圍為7～20/mm。

(3)優(yōu)化方法：采用一階優(yōu)化方法，即通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)添加罰函數(shù)將有約束的多變量非線性規(guī)劃問題變成無約束的非線性規(guī)劃問題，以因變量對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)來決定搜索方向，自動(dòng)運(yùn)行優(yōu)化程序，在優(yōu)化的每一次循環(huán)中都對(duì)模型重新劃分網(wǎng)格，完成優(yōu)化分析。

(4)參數(shù)的靈敏度分析

由圖10可知，參數(shù)的靈敏度顯然不同，F(xiàn)D3即第三條加強(qiáng)筋厚度的靈敏度最高為O.1770，R1即第一條加強(qiáng)筋半徑的靈敏度最低為-0.0128。同時(shí)這些參數(shù)的靈敏度符號(hào)不同，有正負(fù)之分，正號(hào)表示隨參數(shù)的增加，閥體最大等效應(yīng)力在減小，負(fù)號(hào)表示隨參數(shù)的增加，閥體最大等效應(yīng)力在增加。在本文指定的設(shè)計(jì)參數(shù)中，閥體第三條加強(qiáng)筋厚度對(duì)閥體最大應(yīng)力的影響所占的比重最大；其次為第二條加強(qiáng)筋厚度和第二、三條加強(qiáng)筋大圓半徑；第一條加強(qiáng)筋的厚度和半徑兩個(gè)參數(shù)對(duì)閥體最大等效應(yīng)力的影響比重最小。

(5)參數(shù)對(duì)閥體最大等效應(yīng)力的影響

第一條加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)變量ds_FD1接近11mm時(shí)，閥體最大等效應(yīng)力最大，當(dāng)偏離這個(gè)值時(shí)，應(yīng)力減小很快。如圖11所示。

第二條加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)變量ds_FD2逐漸增大時(shí)閥體最大等效應(yīng)力逐漸減小。如圖12所示。

第三條加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)變量ds_FD3接近16mm時(shí)，閥體最大等效應(yīng)力最小，當(dāng)偏離這個(gè)值時(shí)，應(yīng)力上升很快。如圖13所示。

第一條加強(qiáng)筋設(shè)汁變量ds_R1接近305mm時(shí)，閥體最大等效應(yīng)力最大，當(dāng)偏離這個(gè)值時(shí)，應(yīng)力減小很快。如圖14所示。第二、三條加強(qiáng)筋與第一條加強(qiáng)筋情形相似。

以上是單個(gè)參數(shù)對(duì)閥體最大等效應(yīng)力的影響，下面是兩個(gè)組合參數(shù)對(duì)閥體最大等效應(yīng)力的影響即應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間，如圖15所示。

經(jīng)優(yōu)化后得到設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化值：

第一條筋的半徑R1，由初值為314.4mm變?yōu)?24.55mm；

第二條筋的大圓半徑R2，由初值為1275mm變?yōu)?301mm；

第三條筋的大圓半徑R3，由初值為1230mm變?yōu)?258.5mm；

第一條筋的一半厚度FDl，由初值為15mm變?yōu)?.9261mm；

第二條筋的一半厚度FD2，由初值為15mm變?yōu)?0.458mm；

第三條筋的一半厚度FD3，由初值為15mm變?yōu)?7.946mm；

由此，我們求得在一定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)合理分布的最優(yōu)解。

優(yōu)化后第一、二條筋的厚度減小，第三條筋的厚度增加；第一條筋的半徑和第二、三條筋的大圓半徑都有所增大。

2．2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化后的模型進(jìn)行對(duì)有限元分析，材料、網(wǎng)格劃分、約束與載荷同改進(jìn)前相同。

進(jìn)行優(yōu)化以后，閥的由原來的質(zhì)量616.3Kg增加到660.9Kg，筋的質(zhì)量增加了44.6Kg增加了7.2個(gè)百分點(diǎn)，閥體最大等效應(yīng)力由151.65MPa下降為97.33MPa，下降了35.82個(gè)百分點(diǎn)；閥體中腔處最大位移減小為O.082023mm。加強(qiáng)筋優(yōu)化前后結(jié)果比較，見表1。

3．結(jié)論

(1)閥體進(jìn)行加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)后，其閥體強(qiáng)度得到了改善，改進(jìn)后的閥體等效應(yīng)力最大值下降了33.9％；閥體中腔處最大位移減小。

(2)利用確定性優(yōu)化方法優(yōu)化筋的結(jié)構(gòu)尺寸后，使加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)更合理，閥體最大等效應(yīng)力更顯著下降，下降35.82％：且應(yīng)力分布更均勻；閥體中腔處最大位移減小，閥體變形更加協(xié)調(diào)，密封性能得到很大改善。

(3)利用有限元軟件ANSYS優(yōu)化分析模塊對(duì)大口徑閘閥閥體進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，大大縮短閥門設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，使閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

上海減壓閥-天沃，與您資料共享！