一種閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于閥門(mén)計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]閥體是閥門(mén)最重要的零部件之一，它主要功能是工作介質(zhì)的流通通道和承壓部件。作為閥門(mén)的外殼及主要耗材零件，其重量占整個(gè)閥門(mén)的70%，其設(shè)計(jì)水平對(duì)閥門(mén)制造成本、工作性能和使用壽命有決定性的影響。長(zhǎng)期以來(lái)，閥體設(shè)計(jì)采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，通常是先根據(jù)客戶給定的閥門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)，然后利用現(xiàn)有的大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行閥體壁厚的估算與設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)完成后再根據(jù)樣機(jī)測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。這種常規(guī)設(shè)計(jì)方法雖然簡(jiǎn)便，但卻存在諸多缺陷。
[0003]常規(guī)的閥體設(shè)計(jì)公式與標(biāo)準(zhǔn)，是以彈性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，對(duì)閥體大幅度簡(jiǎn)化為圓筒形容器，然后以殼體的薄膜理論推導(dǎo)出較為簡(jiǎn)單的適合于工程應(yīng)用的計(jì)算公式，計(jì)算設(shè)計(jì)壓力作用下的最大應(yīng)力，將其限制在材料許用應(yīng)力值以內(nèi)，從而確定閥體的壁厚。但實(shí)際上，閥體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布大多數(shù)是不均勻的，隨著試驗(yàn)技術(shù)與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)處按精確的彈性理論或有限元法所得到的應(yīng)力集中系數(shù)往往可達(dá)到3-10。此時(shí)，若按最大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)入塑性就算失效就顯得過(guò)于保守了。像這種按傳統(tǒng)的半經(jīng)驗(yàn)、半理論的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，是以閥體總體的或基本的應(yīng)力為考核對(duì)象，簡(jiǎn)單的采用內(nèi)壓容器彈性失效的理論公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了確保設(shè)備安全采用了較大的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，這使得設(shè)計(jì)過(guò)于保守，導(dǎo)致閥體的體積和重量偏大，成本過(guò)高。其次，閥體的設(shè)計(jì)除了要滿足一定的強(qiáng)度要求外，還要滿足一定的剛度要求，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難算出某些關(guān)鍵部位的變形量，容易造成質(zhì)量隱患。
[0004]雖然隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，有限元方法開(kāi)始應(yīng)用到閥門(mén)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，但在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)判時(shí)，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型的應(yīng)力與閥體材料許用應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，以獲得閥門(mén)安全性的評(píng)價(jià)結(jié)果。然而，目前對(duì)閥門(mén)的設(shè)計(jì)僅僅停留在對(duì)安全性的評(píng)價(jià)上，忽略了對(duì)設(shè)計(jì)水平或材料潛力是否充分發(fā)方面的評(píng)價(jià)，使得所設(shè)計(jì)的閥體結(jié)構(gòu)仍有較大的減重空間，此設(shè)計(jì)并非是性能和成本最優(yōu)化的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于現(xiàn)有技術(shù)中的閥門(mén)設(shè)計(jì)方法無(wú)法充分發(fā)揮材料性能的問(wèn)題，從而提出一種能夠充分發(fā)揮材料性能的，既符合設(shè)計(jì)要求又降低了閥門(mén)生產(chǎn)成本的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的一種閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0007]S1:建立閥體的三維幾何模型；
[0008]S2:根據(jù)閥體的三維幾何模型對(duì)閥體建立有限元計(jì)算模型，根據(jù)有限元計(jì)算模型計(jì)算在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布；
[0009]S3:根據(jù)應(yīng)力分布獲取高應(yīng)力區(qū)和危險(xiǎn)截面，對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，得到應(yīng)力線性化結(jié)果，所述應(yīng)力線性化結(jié)果包括一次薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力和二次應(yīng)力；
[0010]S4:根據(jù)得到的所述應(yīng)力線性化結(jié)果進(jìn)行閥門(mén)安全性評(píng)價(jià)；
[0011]S5:獲取安全性評(píng)價(jià)結(jié)果，若安全性評(píng)價(jià)結(jié)果為安全時(shí)，則根據(jù)得到的所述應(yīng)力線性化結(jié)果進(jìn)行閥門(mén)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)；
[0012]S6:獲取經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果，若所述經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果為經(jīng)濟(jì)時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)的閥體結(jié)構(gòu)為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；
[0013]若經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果為不經(jīng)濟(jì)時(shí)，則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并重復(fù)S1-S5步驟。
[0014]本發(fā)明的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，若S4步驟中閥門(mén)安全性評(píng)價(jià)為不安全時(shí)，則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并重復(fù)S1-S4步驟。
[0015]本發(fā)明的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在所述S5步驟中，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法為，依據(jù)閥體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，將閥體劃分為若干個(gè)閥體區(qū)域；若高應(yīng)力區(qū)位于某個(gè)閥體區(qū)域內(nèi)部，則增大高應(yīng)力區(qū)所在閥體區(qū)域的材料的厚度；若高應(yīng)力區(qū)位于若干閥體區(qū)域的交界處，則同時(shí)增大高應(yīng)力區(qū)相鄰的多個(gè)閥體區(qū)域的材料的厚度。
[0016]本發(fā)明的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述根據(jù)得到的所述應(yīng)力線性化結(jié)果進(jìn)行閥門(mén)安全性評(píng)價(jià)的步驟中，同時(shí)滿足以下條件時(shí)安全性評(píng)價(jià)結(jié)果為安全:
[0017](1)0|1]<1.03，或者0匕<1.53;
[0018](2) on+ob< 1.5S，或者 σ L+ σ b< 1.5S ；
[0019](3) ση+σ b+Q < 3.0S，或者 σ L+ σ b+Q < 3.0S ；
[0020]其中，OmS—次總體薄膜應(yīng)力，σ L為一次局部薄膜應(yīng)力，0 b為一次彎曲應(yīng)力，Q為二次應(yīng)力，S為材料許用應(yīng)力值。
[0021]本發(fā)明的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在S5步驟中，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的步驟為:
[0022]將閥體劃分為若干閥體區(qū)域；
[0023]獲取每個(gè)閥體區(qū)域的應(yīng)力線性化結(jié)果；
[0024]依次判斷每個(gè)可優(yōu)化的閥體區(qū)域是否滿足經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則，若每個(gè)閥體區(qū)域得到的應(yīng)力線性化結(jié)果都符合經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則，則判定該閥門(mén)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果為經(jīng)濟(jì)。
[0025]本發(fā)明的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，獲取每個(gè)閥體區(qū)域的應(yīng)力線性化結(jié)果的步驟包括:
[0026]根據(jù)應(yīng)力分布獲取每個(gè)閥體區(qū)域的高應(yīng)力區(qū)和危險(xiǎn)截面，并對(duì)每個(gè)危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，得到應(yīng)力線性化結(jié)果，所述應(yīng)力線性化結(jié)果包括一次薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力。
[0027]本發(fā)明的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，依次判斷每個(gè)可優(yōu)化的閥體區(qū)域是否滿足經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則時(shí)，符合下列兩個(gè)條件之一；
[0028]條件一:
[0029]閥體區(qū)域的應(yīng)力線性化結(jié)果同時(shí)滿足，
[0030](I) 0.7S < σ n< 0.8S，或者 0.7S < σ L< IS ；
[0031](2)0.7S < σ η+σ b< 1.2S，或者 0.7S < σ L+σ b< 1.2S ；
[0032]其中—次總體薄膜應(yīng)力，σ L為一次局部薄膜應(yīng)力，0 b為一次彎曲應(yīng)力，S為材料許用應(yīng)力值；
[0033]條件二:
[0034]閥體區(qū)域厚度為最小限定厚度。
[0035]本發(fā)明的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在所述S6步驟中，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法為，增大或減小不符合經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則的閥體區(qū)域的材料的厚度。
[0036]本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0037]本發(fā)明的閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)參數(shù)法建立三維幾何模型，方便進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大縮短設(shè)計(jì)修改時(shí)間。通過(guò)建立的應(yīng)力評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，考慮了產(chǎn)生不同失效的各類(lèi)應(yīng)力，采用3個(gè)評(píng)判條件來(lái)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，可以全面地、綜合性地對(duì)閥體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足安全性要求進(jìn)行評(píng)定。同時(shí)通過(guò)應(yīng)力結(jié)果對(duì)各個(gè)閥體區(qū)域的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)各閥體區(qū)域中的應(yīng)力均符合⑴ 0.7S < σ n< 0.8S 或 0.7S < σ L< IS,并且⑵ 0.7S < σ η+σ b< 1.2S，或0.7S< σ L+ob< 1.2S時(shí)，閥門(mén)的結(jié)構(gòu)具備經(jīng)濟(jì)性，該經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)充分考慮到不同類(lèi)型的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，并兼顧了設(shè)計(jì)與實(shí)際的區(qū)別。當(dāng)閥體的結(jié)構(gòu)既滿足安全性評(píng)價(jià)、又滿足經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)，不僅能夠保證閥門(mén)的安全性，又能最大限度地減小材料，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載潛能，從而降低閥體的重量，節(jié)約材料減少成本，使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更合理、更經(jīng)濟(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0038]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中
[0039]圖1是本發(fā)明中閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程圖；
[0040]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中閥體的1/2三維幾何模型；
[0041]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中初始設(shè)計(jì)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖。
[0042]圖中附圖標(biāo)記表示為:1-閥腔壁區(qū)域；2_加強(qiáng)筋區(qū)域；3_中法蘭區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0044]實(shí)施例1
[0045]本實(shí)施例提供一種閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，閥體為DN650閘閥，包括以下步驟，流程如圖1所示:
[0046]S1:建立閥體的三維幾何模型；
[0047]該閥門(mén)設(shè)計(jì)壓力為5.1MPa,閥體的初步設(shè)計(jì)方案。初步設(shè)計(jì)的閥腔壁區(qū)域I的厚度為32.8mm，加強(qiáng)筋區(qū)域2的厚度為45mm，中法蘭區(qū)域3的厚度為95mm，加強(qiáng)筋板上有一個(gè)Φ60的孔，閥體的材料許用應(yīng)力為138MPa。根據(jù)閥體的二維設(shè)計(jì)圖，在三維幾何建模軟件中采用參數(shù)法建立閥體的三維幾何模型。由于幾何及所受載荷具有對(duì)稱(chēng)性，建立1/2模型即可。
[0048]S2:利用有限元軟件對(duì)閥體建立有限元計(jì)算模型，根據(jù)有限元計(jì)算模型的計(jì)算在內(nèi)壓(為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍)作用下的應(yīng)力分布圖，確定閥體內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)和危險(xiǎn)截面；
[0049]把閥體三維幾何模型導(dǎo)入有限元軟件如ANSYS，進(jìn)行有限元前處理，然后在閥體進(jìn)出口端部施加位移固定約束，在閥體內(nèi)腔表面作用壓力，即內(nèi)壓，壓力值為38°C時(shí)設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，即7.65MPa。然后計(jì)算閥體承受內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布，如圖2為tresca應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖。可以發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)筋板根部和閥體座圈附近處應(yīng)力水平相對(duì)較高，應(yīng)力集中點(diǎn)最大應(yīng)力達(dá)約276MPa，而在一些幾何形狀相對(duì)平緩的區(qū)域的應(yīng)力水平相對(duì)較低。
[0050]S3:利用有限元軟件對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，得到一次總體薄膜應(yīng)力σ ?或一次局部薄膜應(yīng)力0,和一次彎曲應(yīng)力σ b和二次應(yīng)力Q ;
[0051]根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖確定應(yīng)力水平相對(duì)較高的區(qū)域，然后對(duì)位于閥體內(nèi)部應(yīng)力偏高的區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，判斷閥體的設(shè)計(jì)是否安全可靠。
[0052]由于三維有限元計(jì)算給出的結(jié)果是包含了一次薄膜應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力、局部彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力在內(nèi)的總的應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)應(yīng)力分類(lèi)思想，首先將總應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi)，以區(qū)分不同部位的主要應(yīng)力類(lèi)型。通過(guò)在有限元分析軟件里利用路徑操作工具在應(yīng)力最大處選取應(yīng)力評(píng)定線，然后應(yīng)用應(yīng)力線性化工具將計(jì)算應(yīng)力結(jié)果沿可能的危險(xiǎn)截面分解成一次薄膜應(yīng)力及一次彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力和總應(yīng)力等分類(lèi)應(yīng)力。
[0053]依據(jù)閥體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，對(duì)閥體區(qū)域進(jìn)行劃分，如圖2所示，將閥體區(qū)域劃分為加強(qiáng)筋區(qū)域2、閥腔壁區(qū)域I和中法蘭區(qū)域3。當(dāng)然，對(duì)閥體區(qū)域進(jìn)行劃分，只需在對(duì)閥門(mén)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前進(jìn)行即可。并且在對(duì)閥體區(qū)域進(jìn)行劃分時(shí)，盡量把結(jié)構(gòu)連續(xù)并且材料厚度設(shè)置相同的區(qū)域劃分到一起。
[0054]閥體的高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生在加強(qiáng)筋