基于閥門設計的應力集中分析

周云忠 柴為民

摘要：閥門設計中涉及到的應力集中問題，是影響閥門產品設計參數的重要因素，因此對于應力集中問題的相關研究也日漸增多。應力集中指的是物體受到外力條件的影響下，產生幾何形狀和外形尺寸的突變，進而引起局部范圍內的應力顯著增加的現象，容易出現應力集中的部位，大多在物體的尖角位置、缺口位置以及其他具有剛性約束的位置。應力集中現象也是閥門產品設計中一種常見的現象，如何通過科學的計算，加強對閥門應力集中的科學計算，從而獲得理想的計算結果，將其應用到閥門設計中，提高閥門設計的效率，是當前面臨的重要問題。本文就主要針對閥門設計的應力集中的相關問題進行簡單的探討。

關鍵詞：閥門設計 應力集中 局部細化法

應力集中是閥門設計中一種常見的現象，通過科學的計算，掌握應力集中的數據信息，對于優化閥門產品結構設計有著十分重要的意義。同時，應力集中對于閥門產品的使用壽命也有著較大的影響，通常情況下，閥門結構的疲勞壽命對應力集中有著很強的敏感性，而以往的計算方法中，大多是在常規靜力學的分析中獲得的結果，這種狀態下的計算結果在閥門產品的疲勞預測中，卻存在著較大的誤差，因此，為了獲得更準確的數據，必須要采用科學的應力集中計算方法，文章就針對這一問題進行分析。

1.應力集中分析方法

1.1局部細化法

局部細化法是進行應力集中分析的常用方法，其在模擬結構應力集中的問題上，準確性較高。局部細化法指的是對整個模擬區域進行劃分，形成多個網格形式，然后再針對其中應力梯度變化較大的單元或者是區域，進行重點加密。在實際的操作中，可以將網格中的某個點為中心，對其周圍的區域進行細化加密，以此實現單元或者區域的加密。

1.2子模型方法

在應用局部細化法的應用中會出現一種現象，某些單元的網格區域內的網格密度不夠，但是其他的部位網格密度已經足夠，在這種情況下，對于用戶比較關心的區域，就很難保證應力集中分析結果的準確性，無法到用戶的需求，這里就需要應用子模型技術。子模型技術主要是針對已經獲得的區域內的單元進行更加細化的單元分割，從而獲得更精確的數據。子模型技術需要將應力集中區域進行切割，而切割的邊界就是整個模型區域的分割邊界，整體模型的切割邊界能夠為子模型邊界的確定提供依據和參考。子模型方法以圣維南原理為根本的理論依據，如果模型的負荷經過切割而分布在不同的區域時，應力的變化在荷載施加部位的邊緣發生變化，而其他區域上的應力不會發生較大的變化。因此，應用子模型技術時應當與應力集中的位置存在一定的距離，才能保證結果的準確性。

1.3自適應網格劃分

自適應網格方法主要是針對某些應力變化較為顯著的區域內，根據應力變化引起的變形和波動，對誤差進行估計，從而自動判斷網格的分布密度是否科學，為網格分布提供必要的依據。如果判斷結果說明網格密度不夠，則程序將自動將網格密度升級，以此減少誤差。網格在不斷的調整過程中逐漸細化，達到網格分布點與物理解的耦合，便可以通過求解的過程將誤差降到最低，最大限度的保證結果的準確性。

2.閥門設計的引應力集中方法應用實例

在實際的閥門設計工作中，選擇正確的應力集中分析方法，能夠有效的促進應力集中分析的準確性。文章以某閘閥為例，對三種不同應力集中分析方法的應用過程和效果進行對比分析。

2.1模型的建立

根據設計圖紙中閘閥的結構設計，利用三維實體軟件PRO/E建立分析模型，同時建立PRO/E與ANSYS之間的無縫連接，以此實現有限元分析模型的建立。閘閥模型如圖1所示。

圖1 閘閥模型

2.2閘閥模型的網格劃分

為了保證分析結果的準確性，需要對模擬結構進行必要的結構劃分，這里應用帶有中間節點的二階單元實現模型結構的劃分。在二階單元中包含多個四面體單元，這些單元結構具有較強的擬合功能，能夠在復雜的結構中實現不同單元之間的有效連接，也能夠促進模擬結果準確性的提高。在本次研究中，以結構對稱性理論為基本的研究依據，對于閘閥模型進行了全面的分析。模型荷載分布如圖2所示。

圖2 閘閥模型荷載分布

2.3閘閥應力集中分析

根據網格細化法的應用要求，對于該閘閥模型以20為標準進行網格細化，子模型技術中應用的粗糙模型尺寸也以20為標準，自適應網格中最小的網格單元是10，最大的迭代設置為100，結構誤差為5%。通過三種不同的網格劃分和分析方法，獲得三組應力效應數據，分別為286、271、273。由此可以看出，利用網格細化法獲得模擬效果最好，而另外兩種方法在模擬和網格劃分方面都相對較為繁瑣，而且在模擬結果方面也存在不同程度的誤差。

3.應力集中準確性對閥門設計的影響

閥門應力集中的分析結果對于閥門設計的可靠性有著重要的影響，應力集中分析結果能夠為閥門設計和制造提供詳細的數據依據，不僅能夠促進產品設計的科學性，同時也能保證閥體的最佳性能，延長閥門的使用壽命。在實際的應力集中分析過程中，需要根據閥門的不同使用要求，對于應力集中分布的特點進行分辨，才能保證應力集中分析結果的可靠性，從而促進閥門設計的科學性。

4.結束語

通過本文的分析可以看出，在相同的條件下，利用局部細化法能夠更加全面的模擬出閥體應力集中的實際情況。同時，利用這種方法也能夠將梯度變化較大的其他問題進行很好的模擬，并且獲得較為理想的效果。在實際的操作過程中，局部細化法的操作很簡便，只需要對梯度變化較大的節點和單元進行加密操作便能實現模擬過程。如果加密的結果達不到理想的要求，可以提高加密的等級，直到合格為止。綜上所述，對于閥門設計的應力集中問題的研究，應用局部細化法能夠達到理想的效果。

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