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公司新聞

基于SolidWorksSimulation的蝶閥立板結(jié)構(gòu)優(yōu)化


1 引言

連桿蝶閥是蝶閥的一種結(jié)構(gòu)形式,具有加工制造簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、動(dòng)作靈活、拆裝方便和密封性好等優(yōu)點(diǎn),在熱風(fēng)爐系統(tǒng)和預(yù)熱爐系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,作為煙道閥、煤氣切斷閥、煤氣燃燒閥、助燃空氣切斷閥、冷風(fēng)閥等使用,在系統(tǒng)中起切斷作用。因其工作環(huán)境惡劣,閥板都需要有很好的強(qiáng)度,在閥板的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中,有很多早期的研究,其中從蝶閥本身結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)連桿蝶閥的結(jié)構(gòu)分析,有對(duì)連桿蝶閥閥板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),有對(duì)連桿蝶閥的流場(chǎng)受力分析的。盡管這些研究都從各方面對(duì)連桿蝶閥進(jìn)行了優(yōu)化,進(jìn)而增強(qiáng)了蝶閥的壽命和減小了其成本,但大多沒(méi)有從蝶閥本身出發(fā)分析其材料使用情況。本文著重對(duì)閥板的立板尺寸進(jìn)行允許值內(nèi)的優(yōu)化研究,使閥板在保證強(qiáng)度的前提下具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展與成熟,其在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程當(dāng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,通過(guò)CAD軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模,運(yùn)用CAE軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析,清楚的看出產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的不足之處。SolidWorks軟件集設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、仿真于一體,以其為平臺(tái)的有限元分析方法,在設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作上更加快捷、**而且可靠,大大的提高了技術(shù)人員的工作效率。

2 結(jié)構(gòu)與受力分析

2.1 結(jié)構(gòu)形式

某公司生產(chǎn)的連桿蝶閥如圖1所示,主要由驅(qū)動(dòng)裝置、閥板、閥體、主軸、桿系部件組成。系統(tǒng)在工作狀態(tài)時(shí),閥板一直處于受力的狀態(tài),是磨損*快的零部件,所以連桿蝶閥的壽命取決于蝶閥中閥板的壽命[2]。閥板主要由橫梁、立板、墊板、大圓盤鋼板和座圈組成,如圖2所示。

圖1 連桿蝶閥

1.橫梁;2.立板;3.墊板;4.大圓盤鋼板;5.座圈

圖2 閥板結(jié)構(gòu)與受力分布

2.2 立板的受力分析

在閥門關(guān)閉的狀態(tài)下,閥板要承受流體所有的壓力,此時(shí),立板雖然也處于流體的壓力包裹之中,但與垂直于墊板方向上所受的力相比,其余方向上的力可以忽略不計(jì)。如圖2所示,設(shè)作用在墊板、大圓盤鋼板和座圈上的壓強(qiáng)為P,蝶閥的工作壓強(qiáng)P1≤0.26MPa,此處試驗(yàn)壓強(qiáng)為1.5倍工作壓強(qiáng),即:

P=1.5P1=0.4MPa     (1)

座圈外圍半徑為R(R=0.965m),則閥板沿墊板法線方向受力總和為:

F=PS=PπR2       (2)

由于閥板所受的壓強(qiáng)全部由立板承受,對(duì)其等效處理可得到作用在立板上的力。用P1表示每一片立板承受的壓強(qiáng),S1表示立板底部的面積,立板寬度280mm、厚度40mm,由牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律得:

    (3)

2.3 結(jié)構(gòu)分析選定

線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析是計(jì)算在穩(wěn)定的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng),它是不考慮慣性和阻尼的影響。經(jīng)典力學(xué)理論中,物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為:

    (4)

其中[M]為質(zhì)量矩陣,[C]為阻尼矩陣,[K]為剛度系數(shù)矩陣,{x}為位移矢量,{F}為力矢量。因?yàn)殪o力分析可以計(jì)算出固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,以及近似為等價(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化載荷,所以在線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析時(shí)與時(shí)間無(wú)關(guān),即位移{x}可由如下矩陣方程解出:

    (5)

其中假設(shè)[K]為一連續(xù)的常量矩陣,材料必須滿足線彈性、小變形理論,允許包含非線性邊界條件,{F}為靜態(tài)加載到模型上的載荷,其不隨時(shí)間變化,不包括慣性影響因素。

閥板在工作狀態(tài)下受穩(wěn)定的氣壓載荷,隨時(shí)間變化可以近似為靜態(tài)載荷,立板為包含非線性邊界條件的線性結(jié)構(gòu),所以對(duì)立板的有限元分析可以用線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

3 立板的有限元分析

3.1 立板實(shí)體模型的建立

SolidWorks擁有強(qiáng)大的實(shí)體建模功能,對(duì)立板的建模主要有兩個(gè)步驟:一是繪制二維草圖;二是拉伸草圖生成實(shí)體。

在建模過(guò)程中要處理好單位的設(shè)置,保證SolidWorks和SolidWorksSimulation在運(yùn)算時(shí)使用的單位一致,所以在建模過(guò)程中*好使用國(guó)際單位制“MKS”,模型如圖3所示。

圖3 固定約束和載荷

3.2 設(shè)置材料屬性

立板的材料選擇是Q235B,在SolidWorksSimulation應(yīng)用材料中有與之對(duì)應(yīng)的性能參數(shù),彈性模量2.1e+11N/m2、泊松比0.28、屈服強(qiáng)度2.35e+8N/m2

3.3 施加約束和載荷

由圖1可以看出,立板是由銷子連接到主動(dòng)桿和輔助桿,主動(dòng)桿和輔助桿再與主軸相連,所以在給立板施加約束時(shí)直接將固定約束定義在立板與銷子接觸的圓柱面上。而閥板所受的壓強(qiáng)等效到立板上,即是將壓強(qiáng)作用在立板與閥板接觸的底部端面,如圖3所示。

3.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),網(wǎng)格形式和網(wǎng)格單元形狀的選取直接影響到運(yùn)算結(jié)果的好壞。根據(jù)立板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷類型選擇實(shí)體網(wǎng)格,網(wǎng)格單元大小應(yīng)不大于立板的*小壁厚值,相關(guān)網(wǎng)格模型信息見表1,網(wǎng)格劃分模型如圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分

表1 網(wǎng)格信息

3.5 運(yùn)行求解

網(wǎng)格化后的模型以大量線性方程組的形式出現(xiàn)在求解器中,SolidWorksSimulation可以為用戶提供如下三種求解器:Di-rectSpace、FFE和FFEPlus。它們對(duì)于小問(wèn)題的求解都是高效的,但各有側(cè)重:

(1)計(jì)算機(jī)中可用內(nèi)存越大,DirectSpace求解器的運(yùn)算速度就越快。當(dāng)模型中使用的材料彈性模量差異很大時(shí)(比如鋼和尼龍),DirectSpace比FFE和FFEPlus的精度要高。

(2)如果選擇了FFE結(jié)算器,則“使用平面內(nèi)效果”,“使用彈簧使模型穩(wěn)定”和“使用慣性卸除”選項(xiàng)不可用,F(xiàn)FE是不支持接觸問(wèn)題和厚外殼公式的。

(3)FFEPlus在處理自由度(DOF)超過(guò)100000時(shí),速度比較快。它會(huì)隨著問(wèn)題的變大變得更有效率。

FFE是SolidWorksSimulation默認(rèn)的求解器,運(yùn)行求解得到立板的應(yīng)力和位移變化量如圖5和圖6。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 位移云圖

此時(shí)立板在厚度為40mm時(shí)所受的*大應(yīng)力為1.35e+008N/m2,遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力2.35e+008N/m2,*大變形量?jī)H為0.1227mm,由于銷軸與固體自潤(rùn)滑軸承之間有一定的設(shè)計(jì)間隙,所以這樣的變形量,不會(huì)影響閥門的正常使用,立板處于允許的**范圍之內(nèi)。

4 立板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

假設(shè)將立板的厚度設(shè)計(jì)由原來(lái)的40mm改為30mm,則其他條件相同的情況下,立板承受的壓強(qiáng)P2為:

    (6)

SolidWorks采用的是參數(shù)化建模,模型具有很好的再編輯功能,更改立板厚度后,只需要在SolidWorks中將立板拉伸深度更改為30mm,再次對(duì)立板進(jìn)行分析求解便可,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和位移變化量如圖7和圖8。

圖7 優(yōu)化后應(yīng)力云圖

圖8 優(yōu)化后位移云圖

從圖中可知立板此時(shí)*大變形量只有0.1637mm,*大應(yīng)力為1.75e+008N/m2,仍小于屈服應(yīng)力,因此立板處于**范圍之內(nèi),不會(huì)影響閥門的正常運(yùn)行。

設(shè)優(yōu)化前后立板質(zhì)量差為ΔM,則整個(gè)蝶閥系統(tǒng)在優(yōu)化后的質(zhì)量減少量為:

2ΔM=2ρΔV=2×7800×(5.4-4)×10-3=20.8kg     (7)

閥板質(zhì)量減少百分比為K=20.8÷83.4×100%=24.9%,大幅度的減輕了立板的重量。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)三維建模軟件SolidWorks及其有限元分析模塊Solid-WorksSimulation成功地對(duì)閥板中的立板進(jìn)行了受力分析,并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)立板進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化,優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)效益在大批量生產(chǎn)的情況下是顯而易見的,不僅節(jié)約了制造成本,而且使閥板更加輕便。此方法大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期,簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程,提高了技術(shù)人員的工作效率及設(shè)計(jì)的可靠性和完整性,具有很好的市場(chǎng)推廣性。

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