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基于Pr0/E和ANSYS軟件的閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計

來源: 上海閥門時間: 2012-05-22 點擊: 7,847

1．引言

閥門的強度和剛性在閥門設(shè)計中是非常重要的，然而，在有關(guān)設(shè)計手冊和材料力學(xué)中，對這方面的描述很少，設(shè)計人員只能近似計算或根據(jù)經(jīng)驗類比設(shè)計，存在較大風(fēng)險，特別是一些高壓力、大口徑的閥門，問題更多。近年來，隨著有限元分析理論的普及，特別是很多通用有限元分析軟件的使用，使得閥門強度和剛性的計算變得較為容易。

2．有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)簡介

有限元分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是變分原理，基本思想是離散化和分片插值，用網(wǎng)格去逼近所分析的物體。設(shè)想把一個連續(xù)的彈性體用一個離散的結(jié)構(gòu)物來代替，這一離散結(jié)構(gòu)由若干個有限大小的構(gòu)件在節(jié)點上相互鉸接而成。這些構(gòu)件稱有限單元，或簡稱為單元，鉸接點稱為節(jié)點。在有限元法中，通常是以位移作為基本未知量，彈性體受力后，其內(nèi)部各點將沿X，y，Z三個坐標(biāo)方向發(fā)生位移，如各點沿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)

由彈性力學(xué)幾何方程可知，應(yīng)變與位移間的幾何關(guān)系是：

式中：ε_x、ε_y、ε_z為三個方向的線應(yīng)變，γ_xy、γ_yz、γ_zx為剪應(yīng)變。

上述分量可用陣列{ε}表示

{ε}=[B]{δ}

ε：應(yīng)變 [B]：應(yīng)變矩陣 [δ]：節(jié)點位移

由彈性力學(xué)物理方程可知，在線彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變間的物理關(guān)系可用矩陣形式表示為：

{б}=[D]{ε}

[D]：彈性系數(shù)矩陣

而根據(jù)虛功原理，單元的節(jié)點力可表示為{F}=[K][δ]

{F}：單元的節(jié)點力 [K]：單位的剛度矩陣

然后，我們再將每個單元上的外載荷等效地移置到各節(jié)點，這樣，求解應(yīng)力應(yīng)變就變成了如何確定單元的節(jié)點位移。一個離散化的結(jié)構(gòu)是由若干個單元組成的，各單元在節(jié)點上用鉸相互連接，就某一指定的單元來說，周圍各相鄰單元對它的作用就是節(jié)點力，而作用于結(jié)構(gòu)上的外載荷又都已向各單元相互鉸接的節(jié)點移置，這樣，連接各單元的節(jié)點，即受到節(jié)點力的作用，又受到移置后的外載荷的作用，于是可以建立各節(jié)點移置載荷和節(jié)點力之間的平衡條件，組成整體剛度矩陣，得到以節(jié)點位移為未知量的線性方程組，解以上線性方程組就可以求出節(jié)點位移，從而求出應(yīng)變和應(yīng)力。

3．有限元模型建立和結(jié)構(gòu)分析

3.1 ANSYS與Pro/E軟件的無縫連接

ANSYS有限元分析軟件是當(dāng)前最為流行的大型通用有限元分析軟件之一，在國防、交通、土木水利工程、汽車、機械工程等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，覆蓋了力學(xué)、熱學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等各個學(xué)科。它主要由3個模塊組成：前處理、求解及后處理。在前處理模塊中，ANSYS提供了實體建模和直接建模工具，但對于比較復(fù)雜的模型，ANSYS建模還是比較麻煩，人們更習(xí)慣從Pro/E、UG等程序中建模，再導(dǎo)入ANSYS中。Pro/E是美國參數(shù)化設(shè)計公司(PTC)推出的三維造型軟件，具有非常強大的實體造型能力，它與ANSYS的連接可采用IGES(Initial Graphics Exctlange Specification)文件交換共享，也可以將ANSYS集成在Pro/E中，實現(xiàn)無縫連接。連接方式為：開始>程序>ANSYSl0>utilities>ANS_ADMIN→Configuration options→Configuration Connection for pro/E，確定后在打開的對話框內(nèi)將圖形顯示設(shè)備設(shè)置為3D，最后在Pro/E安裝信息框輸入Pro/E的安裝路徑，確定后即完成連接。打開Pro/E，在菜單管理器中有了 ANSConConfig和ANSYSGeom菜單。完成建模后，直接點擊ANSYS Geom，系統(tǒng)自動打開ANSYS將當(dāng)前模型導(dǎo)入到ANSYS中，然后“plot”“Volume”選項，就可以將實體模型顯示出現(xiàn)，從而實現(xiàn)無縫連接。對于ansysll.0，由于ANSYsll-utilities-ANS_ADMIN菜單中取消了Configuration Configuration for pro/E項，因此需要在安裝時配置：首先安裝pro/e，記住安裝路徑，當(dāng)安裝ansysll.O時，在對話框窗口把有關(guān)與pro/e無縫集成的選項前的復(fù)選框內(nèi)打上鉤，當(dāng)提示你輸入pro/E的安裝路徑時，輸入相關(guān)路徑，既可完成聯(lián)接。

需要注意的是：連接時要注意版本配合，Pro/E版本不能高于ANSYS同期版本。

3．2 有限元模型建立和荷載施加

3.2.1 幾何模型建立

在Pro/E中，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、混合等手段建立水輪機進水蝶閥(如圖)閥體和蝶板三維模型，對一些與強度和剛度關(guān)系不大的細部結(jié)構(gòu)，可以進行簡化。由于蝶閥幾何形狀和受力狀況為對稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)約計算機運算時間，可以只選取一半來分析。建模時，應(yīng)注意單位的統(tǒng)一，建議使用國際單位制。長度：m，力：N，質(zhì)量：千克。

3．2．2 單元選取和網(wǎng)格劃分

對閥門和蝶板，可選取用十節(jié)點的solidl87單元，利用ANSYS智能網(wǎng)格劃分工具MeshToot，采用四面體自由劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的疏密程度可根據(jù)產(chǎn)品要求決定，對重要部位可局部細化。

3．2．3閥體約束及荷載

進水蝶閥閥體上游法蘭與上游短管聯(lián)接，上游短管與進水鋼管焊接，下游法蘭與下游短管和伸縮節(jié)連接，故可在上游法蘭上施加固定約束，而下游法蘭呈自由狀態(tài)，然后在剖斷部分加上對稱約束。閥門在動水關(guān)閉時和水壓試驗時，閥體受力最大，此時閥體承受管道的水壓力，軸頭部位還承受通過閥軸傳來的集中力，因而在分析時，在閥體體筒內(nèi)表面施加壓力荷載，在軸頭部位施加集中力荷。

3．2．4 蝶板約束及荷載

施加固定約束與閥軸外圓上，在剖斷處，施加對稱約束，在蝶板平面施加均布壓力，即完成對蝶板的載荷施加。載荷施加完畢后，即可進行求解運算。

4．結(jié)果分析

通過 ANSYS 的通用后處理器，我們可以得到產(chǎn)品的主應(yīng)力、剪應(yīng)力、等效應(yīng)力以及產(chǎn)品變形等彩色云圖，再根據(jù)強度理論來判斷產(chǎn)品的受力情況。對于脆性材料，通常采用第一強度理論，使第一主應(yīng)力б₁≤[б]，對于塑性材料，則采用第四強度理論，使等效應(yīng)力Von Mises stressa≤[б]即能滿足強度要求，至于變形程度則根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需求確定。從閥體和蝶板應(yīng)力和變形云圖中，可看出閥體最大應(yīng)力為160MPa，最大變形為0.391mm。均位于軸頭處。蝶S板最大應(yīng)力為164MPa，筋板邊緣和閥軸根部應(yīng)力較大。最大變形為1.187mm，位于蝶板中部邊緣。