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常见筋板样式对球阀活门刚度影响的仿真分析

2024-08-08 10 上传者：管理员

摘要：采用整体分析和单独分析两种方法，分别建立了水电球阀的整体有限元模型和活门的单独有限元模型，对比分析这两种分析法结果的吻合度。采用单独分析方法建立十字靶环形、十字形、川字形、井字形4种筋板样式活门的有限元模型，研究4种常见筋板样式对活门刚度的影响。研究结果表明：十字靶环形筋板增加活门刚度的效果最显著；采用单独分析方法求解高效，分析结论可靠。

关键词：
仿真分析
活门
球阀
筋板
进水管道
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1、概述

水电球阀作为水电站进水管道的启闭装置，通常安装于水轮发电机组的上游，水电球阀常见的设计工况包括工作密封和检修密封两种。某球阀结构如图1所示，由活门、副阀体、主阀体、上阀杆、下阀杆和支座等组成。活门的刚度直接影响了球阀的密封可靠性，为了增大活门刚度，大型水电球阀通常在活门的前、后端面增加不同样式的筋板，常见的筋板样式包括十字靶环形、十字形、川字形和井字形等，如图2所示。

图1球阀结构半剖视图

图2常见的筋板样式

利用仿真软件对阀门进行结构分析及优化设计是阀门技术人员经常使用的一种方法，但是，广大科技人员关注的目标通常是阀体或活门的壁厚，研究的内容一般为阀体厚度的选取[1]、结构强度的校核[2]或阀体的轻量化设计[3]。目前，缺乏对活门筋板样式的仿真分析研究，查阅到的资料显示，仅有学者研究了川字形筋板对增大活门强度和刚度的作用[4],因此，开展活门常见筋板样式的仿真分析研究，对于球阀的结构优化设计具有实际意义。

2、活门的整体分析与单独分析

目前，针对球阀的有限元分析分为整体分析和单独分析两种[5]。整体分析按照阀门的几何装配关系建立阀体、活门、阀杆等主要零部件，按照零件之间的作用关系定义模型接触属性；单独分析是对整体分析方法的简化处理，仅仅建立分析对象的几何属性，忽略其他零部件，有针对性地对分析目标进行研究。整体分析方法更加符合球阀的实际工作状态[6],但是方法复杂，效率较低；单独分析方法虽然进行了大量的简化处理，但是如果建模方法得当，仍然可以得到置信度较高的仿真结论。

2.1整体分析方法

某大型水电球阀的结构如图1所示，球阀的公称直径为1 600 mm,安装时最高静水头为400 m,公称压力为4 MPa;阀体和活门的材料为WCB,其屈服强度为250 MPa、抗拉强度为485 MPa;主阀体和副阀体通过均布的双头螺栓连接在一起，活门通过螺栓与上阀杆和下阀杆连接；活门筋板样式为十字靶环形。

在有限元ABAQUS软件中，通过整体分析方法建立了某大型水电球阀的有限元模型，如图3所示，包括副阀体、主阀体、活门、上阀杆、下阀杆、前轴座、后轴座、支架和螺栓等几何属性；所有接触区域，如螺栓、副阀体、前轴座、后轴座、支座划分成六面体网格，其余部分采用二阶的四面体网格；定义副阀体与主阀体、螺栓与副阀体、上阀杆与前轴座、下阀杆与后轴座之间的接触属性为库伦摩擦，摩擦因数为0.12;上、下阀杆与活门之间采用绑定约束。

在整体分析模型中，建立了5个用于定义螺栓预紧力[7]和压力载荷的分析步，如图4所示。其中，第1个分析步，为了让各个接触关系平稳建立起来，在螺栓端面建立临时固定边界条件，并施加了一个微弱的预紧力；第2个分析步，继续保持微弱预紧力不变，但是去除螺栓端面固定边界条件；第3个分析步，将螺栓预紧力缓慢增大到实际载荷；第4个分析步，为了减少求解复杂接触问题的迭代次数，将螺栓预紧力去除，但是让螺栓保持在第3分析步结束瞬间的长度；第5个分析步，在第4个分析步的基础上继续施加阀门的工作载荷。仿真分析工况为工作密封，压力载荷均匀作用于活门的前端、内部和左、右两端，以及主阀体和副阀体的内部；约束支座底部所有自由度，约束副阀体水流方向的位移自由度和上、下阀杆的轴向位移自由度，工作密封载荷及边界条件如图5所示。使用48核CPU并行分析，分析时长约为24 min。

图3球阀整体有限元模型

图6为整体分析方法得到的球阀弹性变形云图，工作密封工况下球阀的最大弹性变形位于主阀体的顶部区域，最大值约为0.81 mm;图7为整体分析方法得到的活门弹性变形云图，工作密封工况下活门的前端中心处变形量约为0.49 mm。

图4载荷加载步

图5工作密封载荷及边界条件

2.2单独分析方法

在有限元软件ABAQUS中建立了活门的单独有限元模型，如图8所示，包括活门几何属性，设置参考点1、2、3;参考点1位于下阀杆轴心与主阀体外表面的交点，参考点2位于上阀杆轴心与主阀体外表面的交点，参考点3位于副阀体轴心与副阀体左端面的交点；参考点1、2分别与活门的两端螺栓接触面建立节点耦合，参考点3与活门前端建立节点耦合。

单独分析的分析工况为工作密封，分别约束参考点1和2的6个自由度，在参考点3位置施加集中力载荷，载荷大小等于额定压力与直径1 600 mm圆面积的乘积，活门内部和左、右两端施加额定压力载荷。

图9为单独分析方法得到的活门弹性变形云图，工作密封工况下活门的前端中心处变形量约为0.48 mm,略小于阀门整体分析计算得到的0.49 mm。整体分析变形量更大的原因在于，整体分析模型中，阀杆和阀体被定义为弹性体，在压力载荷作用下产生了0.01 mm的位移。由于单独分析方法求解高效，分析结论可靠，因此本文采用单独分析方法对比分析筋板样式对活门刚度的影响。

图6整体分析方法得到的球阀变形云图

图7整体分析方法得到的活门变形云图

图8活门单独有限元模型

图9单独分析方法得到的活门变形云图

3、不同筋板样式的活门有限元分析

3.1几何建模

图10为某水电球阀的4种常见活门结构，球阀的整体结构型式和性能参数与图1相同，筋板样式依次为十字靶环形、十字形、川字形和井字形，4种筋板的厚度相同。

图10不同筋板样式的活门结构

3.2有限元建模

在有限元软件ABAQUS中，利用单独分析方法，依次建立了4种活门有限元模型，如图11所示。图11中，所有模型的单元类型相同，网格密度相同，所有单元均采用二阶的四面体单元，所有筋板在厚度方向上都有2层以上的单元。4种活门有限元模型的边界条件和载荷参考图8所示，分析工况均为工作密封。使用48核CPU并行分析活门单独有限元模型的时长约为3 min。

图11不同筋板活门的有限元模型

3.3分析结论

图12为4种筋板样式活门的弹性变形云图，图13为活门前端中心处变形量的对比折线图。由图13可知：工作密封工况下，十字靶环形、十字形、川字形、井字形4种筋板活门的前端中心处变形量依次为0.48 mm、0.56 mm、0.57 mm、0.64 mm,这表明4种筋板样式中，十字靶环形筋板增加活门刚度的效果最显著，十字形和川字形筋板的效果近似，井字形筋板效果最不明显。

4、结论

采用整体分析和单独分析两种方法分别建立了活门有限元模型，完成了工作密封工况仿真分析，对比分析了十字靶环形、十字形、川字形、井字形4种筋板样式对活门刚度的影响，得到以下结论：

(1)活门的单独分析仿真结论近似于整体分析结论，分析时间更短，建模方法更简单，在不研究阀体、阀杆、活门之间的作用关系时，可以采用单独分析方法对活门开展结构研究。

(2)在十字靶环形、十字形、川字形、井字形4种筋板样式中，十字靶环形筋板增加活门刚度的效果最显著，十字形和川字形筋板的效果近似，井字形筋板的效果最不明显。

图12不同筋板样式活门的变形云图

图13不同筋板样式对活门刚度的影响

参考文献:

[1]张锁龙,庞明军,包健,等.大口径球阀阀体设计[J].农业机械学报,2006,37(2):154-156.

[2]刘洋,倪威,蔚海文.基于ABAQUS的高压球阀球体有限元分析[J].机床与液压,2013,41(4):21-23.

[3]庞明军,张锁龙,裴峻峰,等.大口径球阀的阀体设计和三维数值模拟[J].化工机械,2005,32(6):385-388.

[4]杨航.大口径强制密封球阀结构设计与分析[D].兰州:兰州理工大学,2022:27-31.

[5]姜铁良,刘晶石.敦化电站球阀阀体刚强度分析计算[J].黑龙江电力,2017,39(3):268-273.