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大口径闸阀阀体澳门银河娱乐平台与结构优化

发布于:2019-06-23 18:54
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      大口径闸阀在供水和工业管道上被广泛应用,而阀体是其中最主要的零件之一,阀体的重量通常占阀门总重量的10%左右,因此它的结构性能的好坏对阀门性能有重要的影响,由于大口径闸阀阀体受到结构长度的限制,其容纳闸板的内腔通常为扁圆形或椭圆形的异形容器,很难用理论公式对其进行澳门银河娱乐平台,通用的做法是利用近似公式进行计算,但是这种计算不能全面反映阀体的受力情况,也不能给设计人员指出阀体结构的改进方向。随着计算机技术和力学理论的发展,采用澳门银河娱乐平台方法进行结构的三维力学分析已经成熟,并在压力容器的结构分析中得到广泛的应用,对阀门进行设计时利用澳门银河娱乐平台计算,并根据计算结果合理设计阀门结构尺寸,可为阀门设计提供可靠的改进意见,提高结构设计水平,缩短阀门设计周期,提高设计效率,节约制造材料。本文以大口径楔式闸阀为例,以最大等效应力作为目标函数,以阀座凸处基本尺寸作为设计变量,对影响阀体强度的结构参数采用一阶优化方法进行有限元优化计算。
      阀体的参数化模型应该能准确反映结构的实际状况,即其形状、边界条件和载荷与实际情况要保持一致,同时在保证计算精度的前提下,模型应尽可能简化,因此在建模过程中对阀体的一些不影响总体性能的特征进行简化处理,忽略一些不必要的倒角,得到参数化计算模型如图所示。由于模型结构比较复杂,为了使计算结果更加精确,因此采用10节点的四面体单元对模型划分网格,划分网格后的模型有51797个节点,29851个单元,如图所示。阀体的材料为WCB,材料特性为杨氏弹性模量E=206 GPa,泊松比0.25;在阀体进出口两端法兰施加固定约束,中法兰施加Y方向约束;根据阀门水压试验要求,按设计压力的1.5倍在阀体内表面施加7.5 MPa压力作为计算压力,施加载荷后的模型如图所示。经有限元程序求解后,得到由第三强度理论为基础的阀体等效应力,如图所示,阀体最大等效应力为144.2 MPa,材料的许用应力120.69MPa,最大等效应力超出材料许用应力范围,在阀体中腔有明显的应力集中现象,原因是此处形状发生突变,并且截面为近似椭圆体形状,更接近于矩形,受力状况不好,这也正是大口径闸阀设计和计算的难点所在,因此有必要讨论阀体中腔形状对阀体强度和应力分布的影响。
      由阀体最大应力位置处在阀体中腔可知,中腔形状对阀体强度有很大的影响.对阀体中腔形状有影响的参数以阀座凸台截面为基准,如图所示,中腔其余位置的形状都以此截面为基准得到,由图中可看到,此截面有5个参数,大圆位置由R= 1300mm和短轴长度L=112.5 mm来完全定义,小圆半径为259 mm,大小圆相交处为R=40 mm的倒圆,其中阀体最小壁厚为t=25.4 mm,小圆半径等于中法兰半径,在此不做讨论,因此只有R、R1和短轴长度L三个参数对阀体中腔形状有影响。为了减少阀体应力集中现象,使应力分布更加均匀并满足强度要求,对其中腔进行结构优化。1)优化目标:阀体等效应力最大值小于材料许用应力;2)设计变量:由计算结果得知,应力最大值在阀体中腔处,并且影响阀体中腔形状的参数为R、R1和L,因此定义设计变量DSR、DSR、DSL的初始值分别为1300,40,112.5 mm;    3)约束条件:由于是实际的工程问题,设计变量的选择必须满足工程需要,因此约束条件:DSL范围为101-124 mm,DSR范围为900-1500mm,R1范围为30~70 mm;4)优化方法:采用一阶优化方法,即通过对目标函数添加罚函数将有约束的多变量非线性规划问题变成无约束的非线性规划问题,自动运行优化程序,在优化的每一次循环中都对模型重新划分网格,完成优化分析后,得出响应图观察优化结果;5)参数对等效应力的影响:经过对阀座凸台截面尺寸进行有限元优化计算后得出响应图,其中DSL对阀体等效应力的影响如图所示,看出短轴长度L=109 mm时,等效应力最大值为最小,当偏离这个值时,应力上升很快,其余参数的响应图也有类似的分布规律。    从图中可看出当参数达到某一个值时,应力值达到最小,这是所有优化变量共同作用的结果,而不是某个参数在独自作用,实际的响应图应该是三维图形,这样求得的解为约束范围内的全局解。


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