基于Workbench的三通密封球閥熱力耦合分析

劉漢欽

（蘇州圣科閥門有限公司，江蘇蘇州215156）

0 引言

球閥在使用過程中會受到壓力的作用，如果工作環(huán)境較為嚴(yán)苛，可能發(fā)生由于壓力過大而引起的球閥爆炸和泄漏等問題，將會影響實際生產(chǎn)周期，嚴(yán)重的會造成人員傷害。因此，為了避免球閥發(fā)生爆炸和泄漏，對球閥的強度和密封性進(jìn)行安全驗證是十分必要的。

本文根據(jù)AutoCAD二維圖紙，通過SolidWorks建立了閥體的三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行熱力耦合分析，以期通過仿真結(jié)果驗證三通球閥的安全性和可靠性。

1 閥體三維模型的建立

三通球閥主要由閥體、連接體、球體、閥桿、密封閥座等部分組成，本文主要針對閥體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，因此根據(jù)二維設(shè)計圖紙，建立了三通閥體的立體模型。閥體的規(guī)格為φ434×317.5，材質(zhì)選用A105。構(gòu)建三維數(shù)模，如圖1所示。

圖1 三通閥體三維圖

2 三通閥體有限元仿真分析

2.1 ANSYS Workbench軟件介紹

ANSYS公司是一家提供成熟的CAE產(chǎn)品的現(xiàn)代化企業(yè)，其推出的ANSYS經(jīng)典版本在國內(nèi)外引起了很大的反響，為工程技術(shù)的設(shè)計和優(yōu)化提供了非常有效、便捷的工具。為了能更好地滿足社會發(fā)展的需要，ANSYS決定將原有的CAE產(chǎn)品進(jìn)行拆散并形成組件，使ANSYS成為不僅可以滿足自身分析需求，又同時具有產(chǎn)品研發(fā)功能的仿真體系。

2.2 三通閥體網(wǎng)格的劃分

三維模型網(wǎng)格的有效劃分是進(jìn)行ANSYS仿真分析的前提，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞會直接對仿真的結(jié)果造成影響。本文主要采用Workbench自帶的Mesh對閥體的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的類型為六面體網(wǎng)格，其優(yōu)點是網(wǎng)格劃分簡單，具有準(zhǔn)確的計算精度以及較快的計算速度，劃分后的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為94 180，網(wǎng)格單元數(shù)為54 931。

2.3 定義邊界條件和載荷條件

本文設(shè)計的閥體選用材料是A105，與20鋼類似，A105的材料屬性如表1所示。球閥的操作溫度為60℃，設(shè)計溫度為99℃，操作壓力為常壓，設(shè)計壓力為0.18 MPa，閥門口徑為DN150。假設(shè)在較為穩(wěn)定的環(huán)境下工作，將閥體第一類邊界條件的表面溫度設(shè)置為30℃，對流換熱是三通球閥閥體的主要散熱方式，換熱系數(shù)為h=10 W/（m2·K），將固定約束設(shè)置在閥體的螺栓連接處，閥體內(nèi)側(cè)設(shè)置5.2 MPa的流質(zhì)壓力。

表1 A105材料屬性

2.4 有限元分析求解計算

當(dāng)上述邊界條件設(shè)置完成以后，首先求解-30℃的環(huán)境溫度下閥體應(yīng)力、應(yīng)變情況。

通過觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為-30℃的使用工況下，閥體的最大應(yīng)力為49 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥體的上部以及閥體內(nèi)部的邊界處。在閥體結(jié)構(gòu)中間區(qū)域幾乎不存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。因此，在閥體的設(shè)計過程中需要著重考慮邊界處應(yīng)力集中的現(xiàn)象，避免閥體發(fā)生開裂和爆炸。

圖2 -30℃閥體總應(yīng)力

通過觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為-30℃的使用工況下，閥體的最大變形為0.014 3 mm，最大應(yīng)變出現(xiàn)在閥體的中間位置，此時應(yīng)變較小。但是在閥體設(shè)計的過程中，也需要對中間位置做出進(jìn)一步優(yōu)化，防止由于閥體的變形導(dǎo)致球閥的密封性變差。

為了對比溫度對閥體應(yīng)力和應(yīng)變的影響，在求解完成-30℃的環(huán)境溫度下閥體應(yīng)力、應(yīng)變情況后，繼續(xù)進(jìn)行30℃的環(huán)境溫度下閥體應(yīng)力、應(yīng)變的求解計算。

圖3 -30℃閥體總變形

通過觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為30℃的使用工況下，閥體的最大應(yīng)力為41 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥體的上部以及閥體內(nèi)部的邊界處。在閥體結(jié)構(gòu)中間區(qū)域幾乎不存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。相比較于圖2可以發(fā)現(xiàn)，此時的應(yīng)力變小，可以看出溫度對閥體確實存在一定的影響作用。

圖4 30℃閥體總應(yīng)力

通過觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為30℃的使用工況下，閥體的最大變形為0.011 mm，最大應(yīng)變出現(xiàn)在閥體的中間位置，相比較于圖3可以發(fā)現(xiàn)，此時的變形變小，可以看出溫度對變形也確實存在一定的影響作用。

圖5 30℃閥體總變形

為了更好地驗證溫度的影響作用，最后進(jìn)行60℃的環(huán)境溫度下閥體應(yīng)力、應(yīng)變的求解計算。

通過觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為60℃的使用工況下，閥體的最大應(yīng)力為57 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥體的上部以及閥體內(nèi)部的邊界處。相比較于圖2、4可以發(fā)現(xiàn)，溫度升高后，閥體的應(yīng)力集中現(xiàn)象開始變得更加明顯。

通過觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為60℃的使用工況下，閥體的最大變形為0.016 mm，最大應(yīng)變同樣出現(xiàn)在閥體的中間位置，相比較于圖3、5可以發(fā)現(xiàn)，溫度升高后，閥體的變形現(xiàn)象也開始變得更加明顯。

圖6 60℃閥體總應(yīng)力

圖7 60℃閥體總變形

3 結(jié)語

綜上所述，環(huán)境溫度過高或過低都將影響閥體的應(yīng)力和應(yīng)變，因此在閥體的設(shè)計過程中要充分考慮溫度的影響，防止發(fā)生球閥故障。在查閱相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)等資料后，可以發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計的三通閥體盡管存在一定的應(yīng)力、應(yīng)變現(xiàn)象，但是仍然滿足使用需求，因此認(rèn)為閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。