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1、第32卷第1期化工机械27低温阀门闸板应力场的数值计算及分析李秀峰*陈宗华(天华化工机械及自动化研究设计院)摘要在对低温闸板结构进行简化后,采用有限元法开发了应力分析软件,对应力、位移场进行了数值模拟,并绘制了应力等值线图、位移图和应力变化曲线图,探讨了应力与变形的规律,为进一步完善低温闸板的设计提供了理论依据。关键词低温阀门应力计算有限元法闸板+中图分类号TQ055183文献标识码A文章编号0254-6094(2005)01-0027-05低温闸阀作为特殊用途的阀门,工作温度一以,为了简化实物模型,在进行分析时可以把T般为-196~-40e,最高使用压力达10MPa,且
2、形槽部位略去,而代之以一定的边界应力(图通常用于易燃、易爆及渗透性强等介质场合,工作1a)。这样,楔式闸板就简化为一个大致的楔形条件要比普通阀门恶劣得多,闸板作为阀门密封圆台的形状。此时,除了密封面凸台有大约5b的件,其受力引起的变形将直接影响阀门的工作性倾角外,其平板部分为均匀等厚,考虑到此倾角很能及可靠性。虽然其温度变化范围不大(完全处小,故可以略去其影响,而将密封面凸台的高度取于低温环境中),但低温时流体分子对密封面楔其平均值。这样,闸板从几何形状上就简化为轴[1]入能力的增强,使阀门的密封十分困难,因而必须对称图形(图1b)。要提高阀头和阀座之间的密封压力,这样整
3、个闸板的受力状况也变得更为复杂,因此对其进行受力分析是十分必要的。但是,低温阀门闸板在工作过程中的受力状况一般是没有资料可查,并难以进行实际测量的。笔者认为利用数值模拟方法研究应力变化规律是行之有效的手段。本文建立了应力场的数学模型,采用有限元法进行求解并编制了相应的计算程序。通过对闸板应力场的分图1模型的简化析研究,揭示了闸板内部各向应力变化过程的基1.2力学模型的建立本规律,指出了结构的薄弱环节和改进方向,对设闸板受力可以分解为水平和垂直两个方向计计算具有一定的指导意义。(图2)。计算结果显示,在水平方向上,由于低温1模型的建立条件下难以密封的特点,N1、N2将比普通
4、阀门大1.1物理模型的简化得多,实际上它们也是影响密封效果的主要因素,低温阀门闸板与普通闸板在结构上没有本质q为面均匀分布载荷;垂直力(主要是摩擦力)引的区别。闸板T形槽的形状不是很规则,其主要起的应力值约占总应力值的10%,通过电测试验作用是对闸板施加闸紧力,在一般情况下它的结验证得知,摩擦力的影响不大于0.1。为了简化构形式不会对闸板密封面受力产生大的影响。所计算,在系列计算时忽略了摩擦力。*李秀峰,男,1978年8月生,硕士研究生。甘肃省兰州市,730060。28化工机械2005年图2闸板受力分析2有限元法建立数学模型1Ni(r,z)=(ai+bir+ciz)(i,
5、j,m)(2)由于低温条件下闸板密封比压过大,在凹槽2A附近会产生明显的应力集中,为了正确反映此处ai=rjzm-rmzj,bi=zj-zm,ci=-(rj-rm)应力,必须把该处的网格划分进行加密处理。但式(1)可简写为:e是网格加密以后会加大计算量,耗费过多的计算{u}=[N]{D}(3)时间,而且如果相邻单元的尺寸相差过于悬殊,可式中A)))三角形面积;能还会引起很大的计算误差。为了解决上述问Ni)))插值函数;e题,本文采用了子模型技术,将计算分成两次进{D})))单元的结点位移值。行:第1次计算时,把所有网格划分得大致相同疏2.2求单元应变密,主要的目的在于计算
6、出别处的应力,并计算出利用平面问题的几何方程可以求得以结点位此部分边缘一线上各结点的位移;第2次计算时,移表示的单元应变:只以凹槽部分为计算对象,把附近的网格划分得50充分细密,而将第1次计算所得的边缘一线上各5rEr结点的位移作为已知量输入,即可将凹槽附近的10EHru应力集中区域计算得充分精密。{E}==(4)Ez5w本文采用三结点三角形环状单元,这种单元05z适应性好、便于分析且具有很强的边界拟合能力,Crz55是分析轴对称体最常用的单元。网格基本大小为5z5r1mm,总数为1676个,阀体内腔施加2.5MPa的式(4)简写为:压力。以对称轴作为z轴,所有应力、应变
7、和位移e{E}=[B]{D}(5)都与H方向无关,只是r和z的函数,因此原来的式中[B])))几何矩阵。空间三维问题就可简化为以r、z为自变量的二维5Ni问题。05r2.1构造插值函数bi0Ni选择结点位移作为基本未知量,利用结点位r0fi01Bi==(i,j,m)移分量进行函数插值,在局部坐标系中构造单元5Ni2A0ci0的位移函数,单元中任意一点位移可以用结点的5zcibi位移表示:5Ni5Ni35z5ru=ENi(r,z)uii=12.3求单元应力3(1)利用平面问题的物理方程,可以得出以结点w=ENi(r,z)wii=
