高溫蝶閥筋板設(shè)置對閥座強度的影響及分析
基于大型通用有限元軟件ANSYS，分別對筋板在垂直及傾斜放置時的高溫蝶閥閥座進(jìn)行數(shù)值模擬和加載分析，獲得了高溫蝶閥閥座的徑向、周向、軸向和MISES等效應(yīng)力場情況，對兩種閥座的承載能力進(jìn)行了對比和分析，為高溫蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全選型提供參考依據(jù)。
         1、概述

       蝶閥結(jié)構(gòu)簡單，體積小，啟閉迅速流阻小。目前國內(nèi)生產(chǎn)的閥門中，將工作溫度t>450℃的蝶閥稱為高溫蝶閥。
       某公司煙機入口的調(diào)節(jié)閥采用DN1200電液高溫蝶閥，其閥體結(jié)構(gòu)為雙偏心形式，且閥體與管道采用焊接連接。高溫蝶閥的操作溫度為650℃，閥座和蝶板的材質(zhì)為0Cr18Ni9。高溫雙偏心蝶閥常采用兩種形式，即蝶閥筋板可采用垂直放置和斜置兩種形式。為探討兩種結(jié)構(gòu)形式的強度，利用ANSYS有限元分析軟件提供的APDL語言編程參數(shù)化技術(shù)對不同筋板放置下的蝶閥閥座建立較為精確的三維有限元模型，分析兩種結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓6MPa(水壓試驗壓力)的應(yīng)力分布。
       2、有限元模型
       1、幾何模型
       利用ANSYS分別建立蝶閥閥座在筋板垂直及斜置狀態(tài)下的三維幾何模型，其中斜置筋板與閥座中心橫切面所成的角度為25°。閥門操作壓力為0.26MPa，閥座外覆防水泡沫石棉保溫材料，厚度為80～100mm，由于只考慮閥座筋板對閥座強度的影響，故保溫層可以忽略不計。
       2、網(wǎng)格劃分
       對閥座應(yīng)力分析計算采用SOLID45單元，其具有三維8節(jié)點，每個節(jié)點有三個沿著x、y及z方向平移的自由度。閥座在內(nèi)壓下強度的分析未考慮溫度分布和保溫層的影響。
       當(dāng)?shù)�閥筋板垂直放置時，考慮到幾何模型的復(fù)雜性，為保證網(wǎng)格質(zhì)量和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將整體分析模型細(xì)分為較小的體積塊，并依次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保有限單元網(wǎng)格的光滑過渡�？紤]到兩端支撐邊界對蝶閥受力情況的影響這里將閥座模型向兩端各延長600mm。整體有限單元模型如圖2(a)所示，共15986個SOLID45單元。當(dāng)?shù)�閥筋板傾斜放置時，考慮到幾何模型的復(fù)雜性，中間采用自由網(wǎng)格劃分，整體有限元模型如圖2(b)所示，共12813個SOLID45單元。
       3、材料屬性及邊界條件
       根據(jù)蝶閥的操作條件，確定其材料屬性、初始條件及邊界條件。
       1)材料屬性
       蝶閥材質(zhì)為0Cr19Ni9，即304不銹鋼。彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.3。值得注意的是，模型兩端延長部分采用相同的材料屬性。
       2)邊界條件
       在模型入口端的斷面上施加固定邊界，而另一端的斷面保持為平面，即耦合軸向方向的位移。
       3)載荷
       根據(jù)水壓試驗壓力，閥座內(nèi)壓取為6MPa。在閥座保持為平面的一端及接管的端部施加響應(yīng)的軸向拉力P。
      4、結(jié)語
       1)采用ANSYS軟件，分別對筋板在垂直及傾斜放置狀態(tài)下加載分析，獲得了高溫蝶閥閥座的徑向、周向、軸向和MISES等效應(yīng)力場情況，對兩種閥座的承載能力進(jìn)行了對比分析，為高溫蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全選型提供參考依據(jù)。
       2)計算結(jié)果表明，筋板垂直放置時蝶閥閥座的最大等效應(yīng)力在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，且最大值為191.14MPa。筋板傾斜放置時蝶閥閥座的最大等效應(yīng)力也在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，且最大值為154.1MPa。
       3)值得注意的是，雖然二者的最大等效應(yīng)力均在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，但其開孔位置不同。如果僅考慮內(nèi)壓的作用，筋板傾斜放置時蝶閥閥座的承載能力較高。根據(jù)彈性設(shè)計準(zhǔn)則，筋板傾斜放置時蝶閥閥座的承載能力約為垂直放置時閥座的1.24倍。