基于SolidWorks流固耦合對閘閥閥體結構分析和優化

張家振，王洪申，夏崇茅，張小鵬，丁文義

(1.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050;2.浙江維都利閥門制造有限公司，浙江 溫州 325024)

0 引言

隨著現代閥門產業的迅猛發展，市場的開放性和全球化，使得閥門產品的競爭日趨加劇，對產品的質量、性能的追求越來越高[1]。以往工程師們要通過實驗裝置的檢測和理論公式的計算才能較好地對閥門產品的質量和性能進行評估，現在隨著計算機技術的發展，可以最大限度地使用虛擬設計手段，以提高閥門的質量和性能。SolidWorks憑借其簡單易用、功能全面的優點成為工程師們的首選三維設計軟件，其內部的Simulation和Flow Simulation模塊可以很好地對閥門進行流體仿真和結構分析，并能對結構進行有效的優化，降低成本。

流固耦合力學是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場的影響[2]。流固耦合涉及的物理場包括流場和應力場，單向流固耦合考慮流體對固體結構的作用，求解應力場必須以求解流場為前提，應力場分析應依賴于流場分析的結果[2]，圖1是流固耦合分析的原理圖。

圖1 流固耦合示意圖

國內外學者對各類閥體結構和流固耦合問題進行了大量的研究，高平等[1-2]利用UG軟件強大的CAD/CAE處理模塊對閘閥閥體進行有限元分析，并對閥體尺寸和結構進行優化，提高了計算精度；權帥峰[3]對大口徑楔式閘閥閥體結構進行分析，并用Monte-Carlo隨機有限元法(SFEM)實現對閥體結構的可靠性分析，得到了閥體結構的強度可靠度、設計變量的靈敏度等信息，為閥體結構優化提供了理論依據；陳紅[4]基于FLUENT軟件對核電液壓閥和主蒸汽隔離閥進行流體動力學分析，并將主蒸汽隔離閥的流體壓力作為結構分析的載荷對其進行流固耦合分析；荷蘭埃因霍芬理工大學的A.Beune,J.G.M.Kuerten等[5]用流固耦合的模擬方法和實驗方法研究了高壓安全閥在開啟過程中的特征，結果發現當入口和出口壓力達到足夠大的壓差時，流體的沖擊力才能將閥門打開，并通過對高壓安全閥的一系列的模擬研究，優化了閥門結構；美國的ALTON J.Reich，VIJAYAN Parthasarathy和ALEX DiMeo[6]運用流固耦合方法研究了開啟狀態下真空溢流閥模型中各個零部件受到的流體沖擊，從而優化了閥門的設計。總之，流固耦合分析已經開始研究，但是并沒有系統地和傳統靜力學分析作對比。本文分別用流固耦合方法和傳統靜力學分析方法，對閘閥閥體進行靜應力分析，比較兩種方法結果，說明流固耦合方法的優勢。

1 閘閥閥體傳統應力分析

1.1 三維模型建立

本文選用的閘閥型號是125Z40W-16，其公稱直徑為125mm，公稱壓力為1.6MPa，材料為特殊合金A351 CN7M。通過SolidWorks軟件建立閘閥閥體的三維模型，實體模型如圖2所示，材料的基本參數如表1所示。

圖2 閘閥閥體三維模型

表1 125Z40W-16材料的基本參數

1.2 約束、載荷的施加

閥體的連接形式是法蘭連接，用螺栓將閥體的端法蘭與流體管道相連，所以相當于閥體兩端被固定，應在端法蘭面上施加固定約束，約束完成后的模型如圖3所示。

圖3 施加約束后的模型

在傳統的力學分析中，載荷是均勻施加在所分析的對象上的。對于本例而言，介質流經閥體時對閥體內腔有一定的沖擊力，所以將載荷均勻地施加在閥體內腔。依據《GBT-13927-2008-工業閥門-壓力試驗》的閥門壓力試驗標準，當試驗介質為液體時，實驗壓力至少是閥門在20℃時允許最大工作壓力的1.5倍。該閥門的公稱壓力為1.6MPa，因此在閥門的內表面施加2.4MPa的壓力載荷，施加載荷后的模型如圖4所示。

圖4 施加載荷后的模型

1.3 網格劃分并計算

作為有限元分析的前提，網格劃分的優劣直接影響最后結果的精確度。網格劃分得越精細，結果誤差越小，計算時間越長，因此要合理安排網格劃分的精度。在本例中，因為閘閥的閥體有很多小細節無法一次性劃分網格，這時要調整劃分網格的精度或選取基于曲率的網格進行調整，網格劃分完成的模型如圖5所示。

圖5 劃分網格后的模型

網格劃分完成后要進行算例計算，計算出來的應力分布圖解和最大位移圖解如圖6所示。結果顯示，閥體上應力分布相對均勻，在加強筋的部位有些許應力集中。閥體上的最大應力位于加強筋與閥體的連接處，值為87.14MPa，小于閥體的許用應力170MPa，最大變形位移為0.02658mm，總體來說結構符合設計使用的要求，但是與最大許用應力還有一倍的差距，故有一定的優化裕量。

圖6 應力分布圖解和最大位移圖解

1.4 結構優化

企業的工程師們都遵循“性能滿足要求、成本最小”的原則，特別是對本文中的閘閥，材料是特殊合金，屬于貴重金屬，材料的節省對設計的意義重大。由以上分析結果可知，最大應力值要小于許用應力值，還有一定的優化空間。

整個閥體可優化的部分是閥體壁厚和加強筋，查標準《GB26640-2011閥門殼體最小壁厚要求規范》可知，該閘閥閥體的壁厚正好是規定的最小壁厚11mm，故不能優化，又因為最大應力分布在閥體兩端的加強筋上，所以主要優化加強筋的尺寸。

優化算例有三要素：變量、約束和目標，如表2所示。優化變量是加強筋的2個基本尺寸，圖7是加強筋的優化尺寸，尺寸a和b的原始值都是16mm，因為要消減質量，所以a和b的值要在12mm～16mm之間變化，變化步長為1mm；約束設為最大應力<120MPa；約束目標是質量最小。

表2 優化算例的要素

共有25種優化的情形，每種情形優化的結果如圖8所示。從圖8上可以看出。滿足最大應力<120MPa且質量最小的情形是情形2，最終優化的結果是a=13mm，b=12mm，最大應力91.533MPa，質量最小為35.3029kg。

圖7 加強筋的優化部位

圖8 優化結果

2 閘閥閥體基于流固耦合的結構分析

2.1 閘閥閥體的流體仿真分析

流體仿真是以計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)為原理的，CFD是基于基本流動方程控制下對流體流動過程的數值模擬，通過劃分網格和輸入邊界條件，就可以得到內流場的靜壓力、速度、溫度、濃度等基本物理量隨時間的變化情況[4]，CFD的工作流程如圖9所示。

圖9 CFD的工作流程圖

所以在對閥體進行流體仿真時，先確定介質為水，溫度是30℃，再設定邊界條件：入口邊界條件是壓力入口，入口壓力為2.4MPa；出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為2MPa。然后自動劃分網格，最后進行計算，流體流經閥體時的速度與靜壓力分布如圖10所示。由速度和壓力分布圖可知，閘閥的流阻小，速度和壓力分布平穩，且分布呈反比關系。

圖10 速度和靜壓力分布

2.2 閘閥閥體的流固耦合分析

在進行閥體的靜力學分析之前，需要將流體分析的結果作為外部載荷導入到靜力學分析中，這就是流固耦合的過程。在添加載荷之后，再添加固定夾具，然后進行網格劃分，且運算得到結果。流固耦合分析的應力及位移分布如圖11所示。

圖11 流固耦合結構分析應力分布

由圖11可知，閥體的最大應力還是發生在加強筋上，相比于傳統的靜力學結構分析，采用流固耦合方式生成的最大應力較小，為55.89MPa，比許用應力小得更多，也需要進行結構優化。

介質以一定的靜壓力流入閥體，在流動過程中，由于受到壁面條件和內腔的影響，閥體內腔所受到的壓力因結構的不同而不同，故用傳統結構分析的方法是不精確的。流固耦合分析正是將流體流動導致內壓變化的狀態形象地傳給靜力學分析，使計算結構更加精確。

2.3 結構優化

流固耦合的結構優化與傳統靜力學結構優化的方式是一樣的，優化參數設置也是一樣的，優化結果見圖12。

經過了25種情形的計算，發現情形1滿足優化的條件，a=b=12mm，結構分析的最大應力為103.77MPa，質量為35.2904kg，在滿足約束條件的情況下，質量最小，總體來說滿足設計要求。

圖12 優化結果

3 結果對比

經過傳統靜力學分析和流固耦合分析后，再分別對結構進行優化，兩者分析優化的結果見表3。

表3 結果對比

從表3可以看出，傳統靜力學分析在優化前的最大應力比流固耦合分析的大，這就說明流固耦合分析有更大的優化裕量。優化后的結果顯示，傳統靜力學法優化的最大應力和流固耦合法的最大應力都滿足要求，但是流固耦合分析的優化空間要大，這就證實了流固耦合分析有更大優化裕量的假設。最后優化的質量比傳統靜力學分析的小，所以成本比傳統方法更低，故采用流固耦合的方法比傳統靜力學方法更有優勢。

4 結語

本文對閘閥閥體結構進行了靜力分析，把流固耦合的方法與傳統計算靜力學的方法作對比，可以發現在針對閥門的結構強度分析過程中，流固耦合方法的優化裕量更大，在結構優化過程中，優化的質量更小，比傳統靜力學方法的成本小，更有優勢。