基于Pro／E和ANSYS的天然气球阀密封比压有限元分析.pdf

第 4期 总第 1 5 5期 2 0 0 9年 8月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI C AL ENGI NEERI NG ＆ AUTOM ATI ON NO．4 Aug． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 9 0 4 0 0 6 7 0 3 基于P r o ／ E和 ANS YS的天然气球阀密封比压有限元分析 张浩强 ，张春 良，罗彬彬 南华大学 机械 工程学院，湖南 衡阳4 2 1 0 0 1 摘要 用 P r o ／ E建 立公 称通径为1 5 0 mm、压力 为2 ． 5 MP a 的天然气球阀的密封装配图 ，依据轴对称原则 ，将 其 1 ／ 4导入 ANS YS软件 中。 用双线性强化材料模型来模拟阀座 ， 用刚体材料模型来模拟阀芯 ， 采用面面接触 有限元分析 ，以理论得 出的平均密封 比压值为基础来计算真实密封 比压分 布规律 。 关 键 词 球 闻 ；有 限元 ；Pr o ／ E；ANS YS 中图分类号 T H1 3 4 TB 1 1 5 文献标识码 A 0 引言 随着 天然气 事业 的发 展 ， 球 阀的应用 日益广 泛 ， 为 避免 发生 内漏 和外漏 ，从 而造 成 巨大的 经济损 失 ，因 此对球阀密封 比压的分析有着重要的意义。密封比压 太小 ，会使密封座表面的弹塑性变形量不足以补偿球 体的加工误差 ，导致主密封不能达到规定的密封要求 而产 生 内漏 ；密封 比压太 大 ，会使球 体 与 阀座 之 间的 摩擦增加 ，球体旋转 困难 ，使阀座易产生塑性变形而 破坏密封 ，在开启和关闭时使阀杆处的减磨密封垫片 较快磨损 ，产生外漏 。由公式计算得 出的平均密封 比 压值 ，不 能真 实反 映密 封 比压值 的分布 ， 应 用有 限元 仿真分析软件 ，模拟实际工况下的密封比压值 ，可为 设计 人员 提供 重要 的参考 。 1实体模 型 的建立 在 P r o ／ E中建立天然气球 阀密封的三维模型 ，零 件模型使用的单位制是 mm、N、S ，在创建装配模型 时 ， 单位制要与零件模型中的一致口 ] 。 在设置好单位制 后 ， 首先创建各零件模型 ， 模型的精度为0 ． 0 0 1 2 mm， 将 阀座 的内表 面与球 体 的外 表 面用 匹配命 令约 束 ，装 配好的实体模型见图 1 。 由于研究对象为轴对称结构， 为节省计算时间， 模型 按对称原则简化为 1 ／ 4结构进行计算，在计算完成后通 过 ANS Y S的命令可进行模型和结果的扩展显示 ，结果 和把整个模型导入 ANS Y S中进行计算分析相同。 2 阀体 的有 限元模型 2 ． 1 阀体模 型 的导入 通 过 ANS YS与 P r o ／ E软件 的无缝 接 口l_ 2 ] ，将 阀 体模型在 P r o ／ E的保存副本 中选择格式为 I G E S后存 收稿 日期 2 0 0 8 1 l - 1 7 ；修 回 日期 2 0 0 9 0 2 1 8 作者简介 张浩强 1 9 8 5 一 ， 男， 湖南 益阳人 ， 在读硕士研究生。 盘 ，打开 ANS YS将其导人，整个转换过程在不脱离 P o ／ E和 ANS Y S这 2 个 软 件 的情 况下 进行 ，从 而 实 现 了二 者之 间 的无 缝连 接 ， 真 正做 到 了 C AD、 C AE的 一 体化 。比较导入前、后的模型可见 ，模型没有发生 扭 曲、丢面、多面等现象 ，确保 了信息的完整 。导入 后 的实 体模 型见 图 2 。 图 1 阀体的密封装配 图模型 图 2导入 AN S YS后的实体模型 2 ． 2 设置 单元 类型 并划 分 网格 阀芯采用的是具有足够硬度和易于切削的马氏体 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 9年第 4 期 不锈 钢 ，根 据密封结 构特征 ，本 文采用 刚体模 型 ，选 择砖形 六面体单 元 s o l i d 4 5 ，此单元 有 8 个 节点 ，每个 节 点有 3 个 自由度 ，可 以较 好地描 述 问题 的受力 和变 形情况，且计算结果精度高。阀座为具有弹塑性的聚 四氟乙烯材料， 采用双线性随动强化材料模型来模拟 ， 在 AN S YS中弹塑性 实体模 型采用 Vi s c o s o l i d 8 n o d e p l a s l 0 7单元来进行求解_ 3 ] 。将网格划分等级设为 4 ， 采用 自由网格划分 ，系统将 自动根据模型的形状和尺 寸、模型局部的曲率、线与线之间的距离以及所设置 的精度级别选择合适的网格密度进行划分 ，划分网格 后的模型见图 3 ，共生成3 3 9 4 2 个单元。 图 3划分 网格 后 的 有 限 兀 模 型 2 ． 3设置材料 属性 阀芯材料 为- 4 2 C r 1 3 ， 弹性模 量 为2 1 0 P a ， 泊 松 比为 0 ． 3 ；阀座材 料 为 聚 四氟 乙烯 ，弹性 模 量 为 0 ． 4 GP a ， 屈服强度为1 8 MP a ， 切向模量为0 ． 1 2 G P a ， 泊松 比为 0 ． 3 5 。 2 ． 4生成接触 对 阀座 和阀芯 的接触 区域采用 面一面接触分析[ 5 ] ， 定 义摩擦 系数 为 0 ． 1 ， 选取 阀芯外球面 与阀座 内球面为接 触面，并对阀芯球面采用 c o n t a c 1 7 4 单元 ，阀座内球面 采 用t a r g e t 1 7 0 单 元 。设 置 法 向 接 触 刚 度 为 6 0 0 0 k N／ mm， 穿 透容差 为 0 ． 0 1 。 生成 的面 一面接触对 见 图 4 ，随后 的压力传递 、位 移变形将在此面上产生 。 图 4 生成的接触 对模 型 2 ． 5施加 约束 和载荷 阀座密封 面外径 D” w 一1 8 0 ． 6 6 mm，阀座 密封 面 内径D 一1 5 5 mm，介质工作压力P一2 ． 5 MP a ，由 q一 D M w - - 二 D M N p得 出 的 密 封 面 计 算 比 压 q 为 8 ． 1 7 6 MP a 。根据 密封面 宽度为 1 2 ． 8 3 mm， 公 称通 径 为 1 5 0 mm查 表 可得 到该 天 然气 球 阀所 需 密封 比压 为 4 ．6 M Pa。 由于计算值为平均密封比压，所以不能反映密封 比压分布情况。在阀芯和阀座的对称面上加以对称约 束 ，阀座的外表面加以全约束。在组装时，由于壳体 在螺 栓的作 用下 施加作用 力给 阀座 ，阀座通 过对 阀芯 的挤压产生形变 ， 达到密封的作用 。 根据以上原理 ， 在 加载时， 对阀座底面施加8 ． 1 7 6 MP a 的计算 比压值 ， 然 后运算 。加载后的工况见图 5 。 图 5施 加 约 束 和载 荷 后 的密 封 模 型 2 ． 6 有 限元 求解 有限元法其实就是将物体用有限个节点和单元划 分成离散体L 6 ] ， 然后建立每一个单元体的有关公式 ， 将 它们在离散点处结合起来 ，得到整个物体的平衡方程 组。打开大变形分析选取项，时间步设置为1 0 0 S ，为 提高计算 精度 ，选 择子 步数 为 3 O ，最大 子 步数 为 1 0 0 0 ， 最小子步数也为 3 o ， 并打开 自动时间步长， 允 许程序 自动确定子步间载荷增量的大小。求解完成后 的结果见 图 6 。图 6中较平缓的曲线为 L 1范数求解 图，随时间变化较大的曲线为 L2 范数求解图。 L 1 ＼ ； I ll L 2 l O 图 6计 算 过 程 压 力 随 时 间跟 踪 图 2 ． 7 有限元分析的后处理与结果显示 后处理的主要 目的是检查分析结果 ，由于本例属 于静 态结 构分析 ，所 以选用 通用后 处理 器来进行 结果 的分析检查 ， 节点的位移、 应力变化分别见图 7 、 图 8 。 3结果 分析 密封 比压在 轴 向和径 向的分 布规律基 本一致 ，在 密封过 程 中 ，由于 阀座 外径受 阀壳 体的 限制不能 产生 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年第 4 期 机 械 工 程 与 自 动 化 6 9 运动 ，阀座端面受到壳体挤压，经过压缩后 ，密封环 的轴向变形裕量小 ，受到的挤压力较大，最大密封 比 压值为0 ． 1 1 8 MP a 。聚四氟乙烯阀座在常温时承受的 最大密封比压值 为0 ． 1 4 3 MP a ，由 ANS YS模拟计算 所得最大值小于阀座材料所能承受的密封 比压 。阀座 的径 向相对 于 中部变 形裕 量大 ，受到 的挤 压力 也相 对 较小 ， 最大位移和变形值为0 ． 4 7 4 7 1 mm。 天然气球阀 的密封 比压理论解相对于密封 面上的密封 比压值偏 小，密封面密封 比压在中部小而在两端高 ，且整个密 封比压呈对称分布。 ．052“ 1 46 ．1 5823々 262728 ，3 S粤 图 7 密封节点的位移 和变 形图 4结束 语 利用 三 维建模 软 件 P r o ／ E 和有 限元 分析 软 件 ANS YS的完美 结 合 ，成功 对 天然气 球 阀的密 封 比压 进行分析 ，建立合理的模型，选取合适 的单元 ，设置 Fi ni t e El e m e nt Ana l y s i s o f Ga s Ba l l v a l v e Ba s e d 正确的边界条件，进行有限元的求解 ，就能得出比经 验公式更加真实的计算结果值 ，对随后 的设计计算具 有 重大 的意义 。 ．169E 07 ．4S 雒 07 ． 48 E07 ． j04 E 图 8 密封节点 的 Vo n Mi s e s应力云图 参考 文献 [ 1 ] 张瑾． 基于 P r o ／ E 和 AN S YS的阀 门实 体建模 与有 限元 分析 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 4 3 4 5 ． [ 2 ] 张 洪信 ， 赵 清海． ANS Y S有 限元 完全 自学手 册 [ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 张朝 晖． A NS YS 8 ． 0 结 构分析实 例解 析[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 陆培文． 阀门设计手册[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 博嘉科 技． 有 限元分 析 软件 一ANS Y S融会 与贯 通[ M] ． 北京 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 杨 永涛． 铁 道粘 油罐 车下卸 阀 CA D[ D] ． 成都 西南 交通 大学 ， 2 0 0 6 3 0 3 1 ． S e a l i n g Pr e s s u r e 0 f Na t ur a l 0 n Pr 0 ／ E a n d ANS YS ZHANG Ha o qi a ng， ZHANG Chun l i a ng， LUO Bi n b i n S c h o o l o f M e c h a nic a l En g i n e e r i n g． So u t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a， He n g y a ng 42 1 00 1 ． Chi n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，we e s t a b l i s h t h e s e a l i n g a s s e mb l y mo d e l o f a n a t u r a l g a s b a l l v a l v e b y P r o ／ E，wh o s e n o mi n a l d i a me t e r i s 1 50 mm a nd nomi na l pr es s ur e i s 2 ．5 M Pa． Ba s e d on ax i s ymme t r i c p r i n c i p l e， we i mpor t one q ua r t e r o f t he mo de l t o ANSYS s of t wa r e ． Si mul a t i ng v a l v e s e a t wi t h bi l i ne a r ki ne ma t i c h ar de ni n g ma t e r i a l mo de l a nd va l v e c or e wi t h r i gi d bo dy ma t e r i a l mo d el ， us i ng a r e a a r e a c o nt a c t f i ni t e e l e me n t a na l y s i s， b a s e d on t he a v er a ge s e a l i n g pr e s s ur e whi c h c ome s f r om t he or e t i c f or mul a， we c a l c ul a t e t he a c t ua l di s t r i but i o n of t he s e a t i ng p r e s s ur e ． Ke y wo r d s b a l l v a l v e；FEA；P r o ／ E；ANS YS 上接 第 6 6页 Re a l i z a t i o n o f CAN Ca r d d r i v e n Ba s e d o n Vi r t u a l I ns t r u m e n t W ANG Xi n x i n，YU A N Li j u a n No r t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d El e c t r ic Po we r，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1，Ch i n a Abs t r a c tI n or de r t o c ar r y on d at a c ol l e c t i on a n d d at a di s pl a y i n r e al t i me，t he s o f t wa r e La b VI EW o f vi r t u al i ns t r u me nt wa s us e d t o d r i v e CAN i n t e r f a c e c a r d，S O t h e h u ma n c o mp u t e r i n t e r f a c e d e v i c e wa s d e s i g n e d f o r d a t a d i s p l a y a n d f a u l t a n a l y s i s ． Ke y wor dsLa bVI EW ；CAN i nt e r f a c e c a r d；CAN bu s； i nt e r f a c e d e s i gn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m