闡述了綜合運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對眼鏡式插板閥左閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，為插板閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化奠定一個良好的基礎(chǔ)。

一、前言

　　有限元這一概念早在20世紀(jì)40年代就已提出，50年代初曾將這種方法用于結(jié)構(gòu)設(shè)計。它可用來分析產(chǎn)品在工作環(huán)境中的受力變形、振動及運(yùn)動的情況，首先應(yīng)用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推廣應(yīng)用于機(jī)械、建筑、造船等工程部門。

　　有限元方法(Finite Element Method,FEM)是一種借助計算機(jī)進(jìn)行工程分析的離散化數(shù)值方法，是CAD和CAE之間不可或缺的連接橋梁。有限元法是一種數(shù)值近似解法，可以處理復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，且計算精度高。用CAE方法可以避免在物理測試上消耗時間和物力，可以用任意方法對實體模型進(jìn)行評估，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并加以排除。有限元法是將所要計算的復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分為有限的許多有規(guī)則小塊，稱為單元。每個單元都具有易于計算的簡單形狀，如矩形、三角形等，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接。系統(tǒng)對每個單元都建立單元剛度方程，并建立結(jié)構(gòu)總體的剛度方程。由結(jié)構(gòu)邊界條件進(jìn)行求解，得出結(jié)構(gòu)中各個位置的參數(shù)值。進(jìn)行有限元計算，主要分為建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、計算、結(jié)果顯示幾個步驟。

　　ANSYS有限元分析軟件是目前最為通用有效的商業(yè)有限元軟件之一，應(yīng)用它對零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析是十分便利的。在產(chǎn)品設(shè)計中，用戶可以使用ANSYS有限元軟件對產(chǎn)品性能進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計的成功率。對于某一具體工程問題，為了使分析結(jié)果接近于實際，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)認(rèn)為首先要用有限元模型準(zhǔn)確地描述出零部件的幾何形態(tài);其次，必須正確地描述零部件在工作過程中的負(fù)載情況和相應(yīng)部件之間的相互影響和制約關(guān)系(及邊界條件);最后，需正確評價剛度和強(qiáng)度的分析結(jié)果。現(xiàn)以眼鏡式插板閥為例，對有限元在閥類元件中的應(yīng)用做一研究探討。

二、眼鏡式插板閥簡介

　　眼鏡式插板閥是安裝于室外煤氣管道的插板式煤氣隔斷閥。工作時為常開式，高爐休風(fēng)時，眼鏡式插板關(guān)閉，切斷煤氣管道。由于該閥門結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，密封效果好，在冶金系統(tǒng)的煤氣管道上得到了廣泛應(yīng)用。

　　插板閥(如圖1所示)通常由左閥體、右閥體、閥板、絲杠、絲杠螺母、波紋膨脹節(jié)和驅(qū)動裝置等部件組成。閥板由通板和盲板組成，以控制介質(zhì)的流通和截斷。右閥體與波紋膨脹節(jié)焊接在一起或通過螺栓連接在一起，右閥體通過底部的支撐輪以實現(xiàn)密封傳動過程中的水平移動。驅(qū)動裝置帶動6根絲杠同時旋轉(zhuǎn)，由絲杠螺母帶動右閥體水平移動，使閥體密封面壓緊閥板上的0形圈，閥門實現(xiàn)密封。

圖1 眼鏡式插板閥

三、眼鏡式插板閥左閥體的有限元分析

　　1、問題的提出

　　插板閥在工作過程中，閥體承受一定壓力，如果強(qiáng)度不夠，很容易發(fā)生爆裂，后果不堪設(shè)想。由于閥體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用常規(guī)的解析算法無法滿足工程實際需要，因此采用有限元分析的方法對閥體進(jìn)行分析更能滿足設(shè)計需求，此次分析的目的主要是驗證左閥體兩支撐板的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計要求，以便更有效地對閥體機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

　　進(jìn)行有限元計算所采用的幾何模型通常不同于實際的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。因為實際的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中有許多對產(chǎn)品性能沒有多大影響的復(fù)雜細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，如圓角、連接孔等，而這些結(jié)構(gòu)在有限元計算中卻非常復(fù)雜，不僅在網(wǎng)格劃分中會產(chǎn)生一些畸形網(wǎng)格單元，引發(fā)劃分網(wǎng)格出錯，而且在計算中也會占用大量時間。因此，在進(jìn)行有限元計算時，需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工作特點和求解內(nèi)容等因素，進(jìn)行合理簡化建立有限元計算的幾何模型。

　　2、基本參數(shù)設(shè)置

　　基本參數(shù)如下表所示。

表 基本參數(shù)

　　3、左閥體模型的創(chuàng)建

　　在ANSYS中通常有兩種建模方法：實體建模和直接生成。實體建模是先創(chuàng)建由關(guān)鍵點、線段、面和體構(gòu)成的幾何模型，然后利用ANSYS網(wǎng)格劃分工具對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成節(jié)點和單元，最終建立有限元模型的一種建模方法，該法適用于建立復(fù)雜的模型，節(jié)點和單元數(shù)量多，別是3D實體建模;直接建模方法是在ANSYS顯示窗口直接創(chuàng)建節(jié)點和單元，模型中沒有實體(點、線、面)出現(xiàn)，此法適用于小型或簡單模型的創(chuàng)建，且要求手工處理大量數(shù)據(jù)，容易出錯。

　　考慮閥體的結(jié)構(gòu)特點，故采用實體建模方法進(jìn)行左閥體模型的創(chuàng)建。模型創(chuàng)建過程中大量使用了鏡像操作，從而大大簡化了操作步驟;另外由于閥體各部件之間都是焊接，故模型之間直接采用黏接即可滿足設(shè)計要求。

　　4、網(wǎng)格劃分

　　通過設(shè)置單元尺寸大小，采用自由網(wǎng)格劃分的方法，得到了比較理想的左閥體網(wǎng)格模型。閥體共劃分為16424個節(jié)點和52307個單元(如圖2 所示)。

圖2 左閥體三維模型

　　5、確定約束條件

　　由于左右閥體是由上下兩頂板焊接相連，左閥體兩支撐板的變形情況是分析重點，故將兩頂板作為約束條件，并限制其上的節(jié)點，即在分析時不能有位移。

　　6、確定載荷分布

　　在左閥體端法蘭上，作用有兩種力，一種是來自絲杠加緊的力，大小為2MPa，另外一種是煤氣在盲板上所產(chǎn)生的壓力，大小為0.6MPa，故左閥體端法蘭上共作用有大小為7.45MPa的力(如圖3所示)。

圖3 左閥體載荷分布及約束條件

　　7、求解及結(jié)果分析

　　對已建立好的有限元模型施加邊界條件和載荷之后，使用ANSYS求解器對模型求解，求得該工況下模型的力學(xué)解。各部位的應(yīng)力、應(yīng)變和變形的最大位移是關(guān)鍵點。選定這幾個參數(shù)作為結(jié)算參量，在后處理中加以顯示和輸出(如圖4所示)。

圖4 分析結(jié)果

(a)左閥體應(yīng)力分布圖 (b)左閥體應(yīng)變分布圖(c)位移云圖

三、結(jié)論

　　根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布云圖的分析結(jié)果，可得到如下結(jié)論。

　　1、當(dāng)盲板截斷煤氣時，左閥體內(nèi)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為268MPa，最小應(yīng)力為4.6MPa，兩支撐板的最大變形量為5.168mm，基本滿足設(shè)計要求。

　　2、分析結(jié)果表明，若想減小兩支撐板的最大變形量，僅靠增加兩支撐板厚度、肋板厚度以及頂板厚度得不到明顯的效果，只能通過進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)左閥體的強(qiáng)度和剛度，以保證整個插板閥的正常工作。