大口徑蝶閥的有限元分析與設(shè)計

    近年來，許多工業(yè)企業(yè)還根據(jù)需要，提出了一些大型閥門（如直徑為Φ5350mm）的設(shè)計制造問題。然而，根據(jù)現(xiàn)有的閥門設(shè)計手冊和相應(yīng)的標準，還很缺乏有關(guān)大口徑閥門的設(shè)計數(shù)據(jù)資料，同時行業(yè)內(nèi)也缺乏對大型閥門的設(shè)計經(jīng)驗。因此，需對其進行詳細準確的計算分析，需要對其進行變形與受力分析計算。然后根據(jù)其結(jié)果進行設(shè)計。從而保證其具有良好的密封性和足夠的強度。但是，由于閥門結(jié)構(gòu)的特殊性，很難用經(jīng)典的力學方法進行分析計算，只有采用有限元方法來分析計算。采用有限元方法，對直徑為Φ5350mm蝶閥的閥體和蝶板進行分析計算，以便為其結(jié)構(gòu)合理和設(shè)計優(yōu)化提供理論依據(jù)，避免造成不必要的材料浪費。
    原理：
    有限元分析法的實質(zhì)是通過兩次近似將具有無限多個自由度的彈性連續(xù)體理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)問題。第一次近似為單元分割，精確的邊界被離散為簡單的邊界，連續(xù)的物體被離散為一系列只有節(jié)點相連的單元，結(jié)構(gòu)離散也稱為網(wǎng)格劃分，離散而成的單元集合體將替代原來的彈性連續(xù)體；第二次近似為真實復(fù)雜的位移分布被近似地表示在分析結(jié)果圖形中，可以直觀的看到分析計算結(jié)果。
    這里需要說明的是目前有限元分析法的地發(fā)展及實際應(yīng)用借助了一個重要的工具：在實際計算中使用了計算機。利用計算機的系統(tǒng)化軟件進行分析計算，極大地提高了分析速度，在實際應(yīng)用中起到了非常重要的作用。
    1 閥門的結(jié)構(gòu)
    本閥門采用三偏心結(jié)構(gòu)，閥體為雙法蘭加環(huán)筋式；蝶板為異型板式，其上合理地布置不同形式的筋板，其結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，采用手工計算工作量較大，因此采用三維有限元分析軟件進行計算。
    2 閥體的有限元計算分析
    結(jié)構(gòu)離散是有限元法的基礎(chǔ)。所謂結(jié)構(gòu)離散化就是將要分析的彈性連續(xù)體按照一定的規(guī)則分成有限個單元體的集合，使相鄰單元在節(jié)點處連接，單元之間的載荷也僅由節(jié)點來傳遞。結(jié)構(gòu)離散也稱為網(wǎng)格劃分，離散而成的單元集合體將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計算分析都將在這個計算模型上進行。
    首先建立閥體簡要結(jié)構(gòu)的有限元模型。
    2.1 邊界條件的確定
    閥體的變形主要受閥體本身自重和閥門其他部件（如閥板、動力裝置）重量的影響，因此在計算時要充分考慮其他部件的重量，我們選擇閥門在豎直放置時閥體的變形計算，加載整體Y向3g重力加速度，閥體底部也加載Y向及X向約束，同時考慮到閥門孔徑較大，會出現(xiàn)管道端面效應(yīng)，因此要在兩片法蘭上加載閥門Z向約束。

圖 1

    2.2 受力情況分析
    由于閥門口徑大，一般都采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，因此主要考慮的是閥門整體重量對閥體的影響，避免閥體有較大自重變形，從而影響閥門的正常使用，由重力加速度為g，但實際上從安全角度考慮，我們按3g計算。加載Y=3g，通過有限元分析計算可以得出閥體在3倍重力加速度下的自重變形情況。下圖為閥體變形情況，由圖可知其最大變形量為0.6mm。

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