井口裝置閘閥閥體三維設(shè)計研究

馬秀花

（長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北荊州434020）

井口裝置閘閥閥體三維設(shè)計研究

馬秀花

（長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北荊州434020）

以閥體為例介紹了以SolidW orks為平臺對閘閥零部件進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計、工程圖的創(chuàng)建、有限元分析等過程。在SolidW orks的工程圖模版之上轉(zhuǎn)化生成的與三維模型相對應(yīng)的工程圖，可以隨著三維模型的改變而自動修改，運(yùn)用SolidWorks自帶的有限元分析模塊對閘閥主要零部件直接用于有限元分析，減少物理樣機(jī)的制造、試驗等過程。

井口裝置閘閥；三維設(shè)計；SolidW orks；有限元分析

閘閥作為采油井口裝置中最重要的設(shè)備，其設(shè)計的合理性以及便捷性對于采油井口裝置整體設(shè)計的提高有著重要意義[1]。閥體是閘閥的主體，是最重要的三維參數(shù)化設(shè)計零件[2]。

我國在閥門設(shè)計水平、生產(chǎn)工藝以及管理水平上與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距，主要表現(xiàn)在：基本上是采用二維CAD軟件作為閥門設(shè)計的繪圖工具，而不是設(shè)計工具，沒有充分利用CAD軟件的強(qiáng)大功能；沒有使用三維參數(shù)化設(shè)計軟件及工程分析軟件，主要依靠經(jīng)驗設(shè)計和樣機(jī)試驗，設(shè)計效率低下；沒有建立完善的圖紙文檔管理系統(tǒng)，技術(shù)管理效率不高，直接影響了閥門設(shè)計能力的發(fā)揮[3]。本文以閥體為例介紹以SolidWorks為平臺對閘閥零部件進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計、工程圖的創(chuàng)建、有限元分析等過程。

1 閥體三維設(shè)計和工程圖的創(chuàng)建

Solidworks軟件包含零件建模、裝配設(shè)計、工程圖與鈑金等模塊，利用“草圖”、“拉伸凸臺/基體”、“拉伸切除”、“圓周陣列”、“鏡像”、“圓角”、“倒角”命令完成閥體整體建模操作。工程圖的創(chuàng)建過程如下：

（1）新建Solidworks文件，點(diǎn)擊“高級”按鈕，在模板菜單欄下選擇工程圖A2圖紙并點(diǎn)擊“確定”，輸入自定義圖紙大小，點(diǎn)擊“確定”進(jìn)入工程圖制作界面。

（2）點(diǎn)擊“瀏覽”按鈕，選擇并打開閥體，在視圖左側(cè)的方向?qū)傩詸谶x中選擇預(yù)覽項，比例屬性欄選擇自定義比例1:2，然后在圖紙上布置標(biāo)準(zhǔn)三視圖。使用視圖布局工具欄中的“斷開的剖視圖”命令完成對主視圖和左視圖的半剖，之后，使用注解工具欄里的“中心線”和“中心符號線”命令完成視圖相圖線的添加，閥體視圖表達(dá)如圖1所示。

圖1 閥體視圖表達(dá)

（3）使用注解工具欄里的“智能尺寸”命令完成對三個視圖的尺寸標(biāo)注，“表面粗糙度符號”命令完成粗糙度的標(biāo)注，“注釋”命令編寫技術(shù)要求，最后填寫好標(biāo)題欄完成閥體零件工程圖的創(chuàng)建。閥體工程圖如圖2所示。

圖2 閥體工程圖

2 閥體的有限元分析

Solidworks Simulation是一個與Solidworks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)分析功能齊全、易于操作，在很多國家的重要行業(yè)得到成功應(yīng)用。它提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。

其分析步驟為繪制模型（也可以導(dǎo)入）——生成算例并定義其分析類型和選項——定義材料屬性——指定約束和載荷——定義全局、零部件和局部接觸設(shè)定——劃分單元網(wǎng)格——運(yùn)行算例或設(shè)計情形——查看結(jié)果。

閥體有限元分析主要考慮靜力分析，即閥腔里充滿21 MPa靜止高壓液體作用。

2.1 定義材料屬性

在Command Manager中的“Simulation”選項卡下選擇“應(yīng)用材料”，系統(tǒng)會彈出“材料”對話框。選擇“自庫文件”中的“Solidworksmaterials”，選擇“鋼”中的“合金鋼”。

2.2 劃分單元網(wǎng)格

在Command Manager中的“Simulation”選項卡下選擇“運(yùn)行”中的“生成網(wǎng)格”，如圖3圖4所示。

圖3 網(wǎng)格模型

圖4 施加載荷

2.3 添加約束關(guān)系和載荷

在Command Manager中的“Simulation”選項卡下選擇“夾具”，在“夾具”中選擇“固定幾何體”，分別選擇三個法蘭的兩端面和螺栓孔使它們處于全約束狀態(tài)，點(diǎn)擊確定完成約束關(guān)系添加。

圖5 應(yīng)力分布

在Command Manager中的“Simulation”選項卡下選擇“外部載荷”，選擇“外部載荷”里的“壓力”，系統(tǒng)會彈出“壓力對話框”，在“類型”文本框里選擇壓力的作用面，在“壓強(qiáng)值”一欄設(shè)置好壓強(qiáng)單位并輸入壓強(qiáng)值，點(diǎn)擊確定完成載荷施加。約束設(shè)置和施加載荷如圖5所示。von Mises(N/m^2) 161282000.0 147841856.0 134401712.0 120961576.0 107521440.0 94081296.0 80641160.0 67201016.0 53760880.0 40320740.0 26880600.0 13440459.0 319.4

屈股力620422000.0

2.4 結(jié)果分析

在Command Manager中的“Simulation”選項卡下選擇“運(yùn)行”，開始計算。計算結(jié)束后，在設(shè)計樹中會自動生成“結(jié)果”文件夾，其中包括應(yīng)力、位移2個圖解，如圖5、6所示。可以得到如下結(jié)果：

圖6 位移分布

URES/mm 5.236e-002 4.800e-002 4.363e-002 3.927e-002 3.491e-002 3.054e-002 2.618e-002 2.182e-002 1.745e-002 1.309e-002 8.727e-003 4.363e-003 1.000e-030

（1）閥體的應(yīng)力和變形呈對稱分布，說明有限元分析結(jié)果和實(shí)際受力情況是相符合的。

（2）在閥體的兩個圓柱體相貫處、以及兩焊接接頭與閥體相交處應(yīng)力較大，其它地方受力較小，整個結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為161.282 MPa（位于中法蘭頸部），安全系數(shù)為3.85，符合要求。

（3）閥體的最大位移結(jié)果為0.0523 592 mm（位于閥體中腔底部中央），變形均在小變形范圍內(nèi)，符合要求。

3 結(jié)束語

（1）對井口閘閥零部件進(jìn)行三維設(shè)計后，用戶只需要修改SolidWorks自帶的特征參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)與之相關(guān)的零部件的修改，從而可以方便快捷的對井口裝置閘閥進(jìn)行系列化設(shè)計。

（2）根據(jù)我國閥門企業(yè)的實(shí)際情況設(shè)計了Solid－Works的工程圖模板，并在此之上轉(zhuǎn)化生成了與三維模型相對應(yīng)的工程圖，并可以隨著三維模型的改變而自動修改，從而大大提高了井口裝置閘閥的設(shè)計效率，并減小了工程圖的出錯率。

（3）運(yùn)用SolidWorks自帶的有限元分析模塊對閘閥主要零部件直接用于有限元分析，可以縮短設(shè)計所需的時間，減少軟件間的數(shù)據(jù)交換，使得產(chǎn)品從建模、裝配到應(yīng)力分析將在同一個軟件中進(jìn)行，從而減少物理樣機(jī)的制造、試驗等過程，提高工作效率，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。

[1]陳浩，崔嵐，周錫容.我國井口裝置的現(xiàn)狀及可靠性研究的必要[J].西南石油學(xué)院學(xué)報，1991，11（13）4：119-123.

[2]周思柱，景華斌，范杰．石油井口閘閥閥體三維參數(shù)化設(shè)計[J]．石油天然氣學(xué)報，2009，12（6）：154-157．

[3]呂志鵬、周思柱.高壓管匯閘閥CAD系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2008，7:145-146.

Study on Three-dimensionalDesign ofWellhead Gate Valve Body

MA Xiu-hua
（Yangtze University College of Technology&Engineering，Jingzhou Hubei 434020，China）

Taking the valve body as an example，this paper describes the process of three-dimensional parametric design，creating of drawings，finite element analysis based on SolidWorks.With the drawing template to generate drawings corresponding three-dimensional model can be changed automatically with a three-dimensional model modified.The finite element analysis of the main components of the valve with SolidWorks can reduce physical prototypesmanufacturing，testing and other processes.

wellhead gate valve；three-dimensional design；SolidWorks；finite element analysis

TE931-1

A

1672-545X（2017）04-0254-02

2017-01-18

湖北教育廳科研項目（B2016449），長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院科研基金項目（2016KY03）

馬秀花（1983－），女，河南商丘人，碩士研究生，講師，從事機(jī)械設(shè)計及理論的教學(xué)與研究工作。