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1、ANSYS Workbench 在阀体密封分析中的应用摘要：应用有限元分析方法建立密封系统的三维有限元模型，以 ANSYS Workbench 有限元分析软件为根底计算法兰与垫片之间的应力场和接触压力。然后依据分析结果，尤其是接触面之间的接触压力，并结合密封面计算比压的理论计算公式，对有限元方法分析阀体密封性能进展验证。为合理、科学的阀体密封泄漏缘由分析供给了先进的技术手段。关键词：球阀；有限元；密封；接触压力引言阀门的强度、刚度以及密封性能是阀门最重要的技术性能指标。强度失效和密封失效是阀门最常见的两种失效形式。在设计时要求必需具有足够的强度和刚度，以保证长期使用而不发生裂开或者产生变形；要
2、求阀门各密封部位有合理的密封比压，以保证密封部件既不损伤又能有良好的严密度，以阻挡介质泄漏。阀体、阀盖的强度分析已经很成熟，而阻碍现代密封设计应用的因素有：密封构造中包含简单材料特性的密封元件；有限元求解过程中包含接触分析；密封构造在工作状态中遇到的不稳定工况，如温度、压力、密封介质特性等。因此，大多数状况下设计人员沿用传统的凭借阅历来确定密封构造的方法。而基于经典力学理论的常规设计计算方法由于其固有的局限性，对于简单几何构造、多载荷作用下的计算是无能为力的，即使对于受简洁边界条件的构造，也会由于构造较简单使得计算不准确，甚至与实际相差甚远。随着有限元分析方法的进展，基于有限元法数值模拟成为解
3、决这些简单问题的利器，很多学者及技术人员，对阀门单个零件或整体进展了有限元计算和构造分析。ANSYS 是当前使用最广泛的大型通用有限元分析软件，具有强大的求解器， 可以对构造、热、流体、电磁场、声场和耦合场进展计算。但是ANSYS 的建模力量相对薄弱，并对分析模型要求苛刻。为解决该问题，ANSYS 为目前主流的CAD 软件供给了预留接口，SolidWorks 也在其中。本文以球阀为争论对象，考虑部件之间的接触作用，建立起阀体、阀盖、垫片、螺栓与螺母一体化的三维模型，针对金属缠绕垫片的非线性特点，使用有限元分析软件 ANSYS 获得接触面之间的接触压力，以及螺栓拉应力计算结果，为密封构造的设计和
4、优化供给技术支持。1. 用 SolidWorks 建立分析模型由于本分析主要争论密封面之间的密封性能，因此在三维建模时，无视其他不考虑且对分析结果影响很小的部件，这样不仅节约了计算机资源，而且提高了计算结果的准确性。本例以DN50、PN50的球阀为例，利用三维建模软件Solidworks 强大的实体建模功能进展实体建模，并对各零件进展组装，生成装配体，其中截面剖视图，如图 1 所示。2. 有限元分析2.1 模型导入由于该阀门几何构造和边界条件呈左右对称，在有限的时间内，为削减工作量，取模型的 1/2 作为争论对象并建立有限元计算模型。通过 SolidWorks 和ANSYS 软件的无缝接口，将
5、球阀模型导入 ANSYS 软件，从而实现二者之间的数据连接。2.2 设置单元类型并划分网格在本计算模型中，共选用了四种单元，高阶次实体单元 MESH200，面面接触单元 TARGE170 与 CONTA174，螺栓预紧单元 PRETS179。网格划分是建模中格外重要的一个环节，网格形式的选取是打算网格品质和结果精度的重要因素。假设网格单元太小，会造成网格过密，导致计算本钱过高。本例中由于我们重点关注垫片与法兰接触面处的接触应力，所以只需要细化法兰与垫片接触面的网格，而其他位置的网格不用过于细化。本模型为四周体和六面体划分，一共 64143 个单元，109699 个结点。网格模型如图 3 所示。
6、2.3 设置材料属性阀体和阀盖材料为 CF8M，其弹性模量为2.06E5MPa，泊松比为0.29；螺栓材料为 B8M，螺母材料为 8M，两者的弹性模量都为 2E5MPa，泊松比为 0.3； 垫片材料为 AISI316L+GRAPHITE，属于非线性材料，材料的应力-应变曲线如图 4 所示。2.4 施加约束和载荷依据阀门现场工作的受力状态，对模型分别施加以下约束条件：（1） 添加对称约束：由于本模型是对称模型，所以在模型的对称截面上施加对称约束。（2） 添加位移约束：为了使模拟与实际状况更接近，对阀体进口端的法兰孔上施加轴向和径向约束，切向自由的位移边界。（3） 施加螺栓预紧力：依据螺栓施加扭矩
7、和螺栓预紧力的计算公式，得螺栓预紧力为 20833N。（4） 施加压强：在阀体和阀盖的壳体内外表上施加 5MPa 压强。由于本计算中既有螺栓预紧力，又有压强，在施加载荷时把载荷步分为两步， 第一步施加螺栓预紧力，其次步施加压强。2.5 计算结果及分析此分析可以全面争论螺栓法兰垫片系统的内在规律和密封机理，能得到法兰垫片密封系统各部件的应力场和位移场计算结果，尤其可以获得垫片的压缩量、垫片与接触状态、接触应力、结合面的间隙等很重要的具体数据。这里仅给出局部的计算结果，着重分析球阀阀体的密封。在施加螺栓预紧力和内部压强的工况下，垫片的应力分布呈简单状态。要保证良好的密封性能，必需在垫片上形成一条压
8、应力不小于密封必压的周向闭合环带，这里有几个要求：一是环带必需要闭合，否则会泄漏；二是压力不能过大， 否则垫片被压溃；三是闭合环带的应力分布尽量均匀；四是闭合环带宽度越大越好。依据非金属缠绕垫片的材料性能参数，要求垫片的压应力应不小于 69MPa， 以保证密封性能。图 5 为阀体的变形云图，图 6 为阀盖的变形云图，从图中可以看出，由螺栓连接的两个法兰内侧相对原来位置张开，而它们的外缘则产生相互靠近的变形， 使得螺栓除了拉伸变形外，还会产生由向外弯曲变形，从而引起拉应力和弯曲应力合成的应力强度。在预紧力和内压力的作用下，垫片受压，但是由于上述变形条件下，垫片的外缘密封效果会好于内侧密封。图 7
9、 为螺栓的拉应力强度，由于构造的周期不对称性，各个螺栓的应力状态及大小是不一样的，中间螺栓的应力最大。在此工况中，由于螺栓预紧力作用而引起，以拉伸应力为主和少量弯曲应力合成的应力强度值为 403MPa，低于螺栓的抗拉强度值 640MPa。图 8 为垫片与阀体的接触应力的分布云图，图 9 为垫片与阀盖的接触应力的分布云图，可以看出垫片上的接触应力分布不是均匀分布的。垫片与阀体的接触应力和垫片与阀盖的接触应力差异不大，垫片径向接触应力状态差异较大，垫片的外缘受压缩作用比较显著，所以垫片外缘处的接触应力比较大。为了保证严密性，要求在垫片的周向压紧面上必需存在一条压应力不小于必需密封比压的闭合环带，否
10、则就会泄漏。查标准知金属缠绕垫片的必需密封比压为 69MPa，比照两个接触面上的接触压力，可知此阀门不会产生泄漏。依据有用阀门设计手册密封面计算比压的计算公式算得垫片与法兰接触面间的密封面计算比压为 92.9MPa,而这个值只是一个理论值，并不能代表密封面上每点处的密封压力值。通过有限元方法算得的密封面上的密封压力，能实际反映具体工况下，密封面上每点处的密封压力，取分析所得的垫片与阀体的接触应力的平均值为 90.55MPa，与密封面计算比压的误差为 2.5%；取垫片与阀盖的接触应力的平均值为 88.19MPa，与密封面计算比压的误差为 5%，说明分析的结果格外牢靠。3. 结论通过以上实例证明白
11、利用三维建模软件 SolidWorks 以及有限元分析软件ANSYS 的无缝连接，应用有限元理论和非线性接触模型，完全可以对垫片与法兰处的接触状态进展准确地分析，此方法保证了设计的牢靠性和完整性，为阀门的构造设计计算和构造优化供给了一个参考的技术途径。4. 参考文献1 刘溪娟，刘承宗，林钧毅，等.一种含超弹性问题的密封构造的有限元求解方法J.中国机械工程，2023,1211：1211-1213.2 洪勉成，陆陪文，高凤琴.阀门设计计算手册K.北京：中国标准出版社， 1994:25-33.3 杨源泉.阀门设计手册K.北京：机械工业出版社，1992.4 张瑾.基于Pro/E 和 ANSYS 的阀门实体建模与有限元分析J.2023，15 陆培文.有用阀门设计手册M.2 版.北京，机械工业出版社，2023.6 邓凡平.ANSYS10.0 有限元分析自学手册 M.北京：人民邮电出版社，2023.