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大口徑閘閥(公稱通徑為350~1200 mm)在供水和工業(yè)管道上被廣泛應(yīng)用。閥體作為閘閥主要零件之一，其結(jié)構(gòu)型式及參數(shù)對閥門總體性能有重要的影響。由于大口徑閘閥閥體受到結(jié)構(gòu)長度的限制，其容納閘板的內(nèi)腔通常為扁圓形或橢圓形的異形容器，很難用理論公式對其進行強度有限元分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化也大多依靠工程經(jīng)驗。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和各類工程分析軟件的完善，工程技術(shù)人員將先進的設(shè)計手段應(yīng)用于傳統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)。在大口徑閘閥設(shè)計過程中，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS進行閥體強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化已有許多成果。
然而，采用APDL語言在有限元軟件ANSYS中實現(xiàn)閥體三維參數(shù)化建模或者直接將閥體CAD參數(shù)模型導(dǎo)入ANSYS的方法，可能存在定義結(jié)構(gòu)參數(shù)的困難，也可能在建模或?qū)氲倪^程中會導(dǎo)致零件幾何信息的缺失，這些都會影響分析和設(shè)計的效率和精度.因此，本文以ANSYS Workbench(AWE)協(xié)同優(yōu)化分析平臺為建模工具，以某公司700Z40H16C(公稱壓力1.6MPa，通徑700 mm)型大口徑楔式閘閥為例進行閥體的參數(shù)化建模和有限元強度分析。進而以閥體質(zhì)量約束條件下應(yīng)力集中處的最大等效應(yīng)力作為目標函數(shù)，以閥體結(jié)構(gòu)的基本尺寸作為設(shè)計變量，對閥體進行結(jié)構(gòu)伏化設(shè)計。
700Z40H16C型大口徑楔式閘閥閥體結(jié)構(gòu)如圖1所示，閥體材料WCB，楊氏彈性模量E=206GPa，泊松比0.25，抗拉極限為482.8MPa，屈服極限為248.3MPa，許用應(yīng)力為120.69MPa。
閥體的實體模型應(yīng)該能準確反映其實際結(jié)構(gòu)。同時，在保證計算精度的前提下，模型應(yīng)盡可能簡化。因此在建模過程中對閥體的一些不影響總體性能的特征進行簡化處理，忽略閥體某些倒角幾何特征后，閥體參數(shù)化模型如圖1所示。
由于閥體為非規(guī)則的實體，因此采用10節(jié)點的四面體單元對模型劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的模型有110104個節(jié)點，55742個單元，確保分析結(jié)果的收斂性。
在閥體進出口兩端法蘭端面施加固定約束，中法蘭端面施加Z方向約束；根據(jù)閥門水壓試驗要求，在閥體內(nèi)表面施加2.4 MPa計算壓力，忽略中法蘭螺栓預(yù)緊力和閥體自重。
在2.4 MPa試驗壓力下，按照第四強度理論為基礎(chǔ)的閥體等效應(yīng)力云圖如圖2所示，閥體最大等效應(yīng)力為143.0 MPa，材料的許用應(yīng)力120.69 MPa，最大等效應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力范圍。由于閥體中腔截面為近似橢圓體形狀，在體腔上部的四個導(dǎo)圓角部位及下部流道相貫區(qū)部位形狀發(fā)生突變，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥體中腔與端法蘭之間的兩側(cè)肋板位置。
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