用流固耦合方法对阀体进行应力分析

1、作者简介：陈黎明(1968,男，辽宁新民人，高级工程师，主要从事阀门质量监督与检查验收工作。文章编号:1002-5855(201601-0025-02用流固耦合方法对阀体进行应力分析陈黎明(海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室，辽宁沈阳110168摘要通过Solidworks Flow Simulation流场分析，并结合单项流固耦合的分析方法，对阀体进行应力分析，得出阀体的应力分布云图，实现阀门在流通状态下的应力求解。关键词阀体;单项流固耦合；应力;Solidworks中图分类号：TH134文献标志码:AStress An alysis Applied on the ValveBody by F

2、luid Solid Coupli ng MethodCHEN Li-mi ng(Navy Ship Fitti ng Military Age ncy R eside nt in Shenyang ,She nyang 110168,Ch inaAbstract :By Solidworks Flow Simulatio n Flow field an alysis ,comb ined within dividual fluid struc-ture in teracti on an alysis method ,stress an alysis was carried outon the

3、 valve body ,the stress distributioncloud of the body was obtained and realized stress solution in circulation state of thevalve. Key words :body ;individual fluid structure coupling ;stress ;Solidworks1概述阀门在设计过程中，为保证其在工作条件下的安全性、可靠性及压力边界的完 整性,需对阀门进行应力分析和力学计算，计算压力一般按照设计压力或工作压力选 取。理论上阀门处于开启状态时，整个阀门腔体不

4、完全承受工作压力，介质静压力对 阀门内部的应力分布很难通过常规计算方法求解。因此 ，引入流固耦合的理论并结 合软件进行应力分析，可减小对阀门应力分析和力学计算的误差。2分析流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下的各种行为，以及固体位形对流场 影响这二者交互作用的一种力学理论。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的 交互作用（fluid solid interaction，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种 相互作用将在不同条件下产生不同的流固耦合现象。流固耦合求解有两场交叉迭 代、直接全部同时求解和有限元求解 3种方式。

5、流固耦合的数值计算问题，随着计算机技术的发展，整个的求解趋向于N S方 程（Navier Stokes equati ons与非线性结构动力学。一般使用迭代求解，也就是在流 场和结构上分别求解，在各个时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进。好处就是各自领域内成熟的代码稍作修改就可以应用。其中可能还要涉及一个动网格 的问题，由于结构的变形，使得流场的计算域发生变化，要考虑流场网格随时间变形以 适应耦合界面的变形。3举例以止回阀阀体（图1为例，利用有限元软件Solidworks FLow Simulation和 Solidworks Simula-tion对止回阀的阀体进行流固耦合应力分析。阀门公称

6、压力 6.3MPa，公称通径10mm，材料F321,设计压力5.8MPa，设计温度100?进口压力 6.3MPa，出口压力 1.0MPa 许用应力 120.6MPapip】!缈!ng Honac'5lddi-3ORVII uSpP图1止回阀阀体立体模型利用Solidworks Flow Simulation流体软件进行流体部分分析，边界条件设置为 进口压力6.3MPa，出口压力1.0MPa （图2。52 2016年第1期阀门 D0l:10.16630/ki.1002-5855.2016.01.010根据实际受力情况将流场部分的计算结果（压力载荷施加到阀体的腔体，耦合到 静力模型中，经计

7、算得到结果（图3icacLAcq'HpiWP阴h胆*Cpiu9 ycsqcujic pnujsj pjccoouic SlddWHQV1Jpab：MMM'CU)CrUCX 丄翳CLA西. b"pl即!诟hm松 Cprus ycgqciuic onuisrj jctmouic SJ&dt-50J9 VII M即花（a流线分布（b云图分布LCSCLA&q b>Tpj即阴 nonap*Cpius vcgqcujic ionuj9 e(loujc SJ&d«OI<?VII珂即月阀体压力场图3阀体应力云图由阀体应力分布云图并结合应力

8、线性化的曲线图（图4图6,阀门有3个位置需 要评价All rights?1?94-2016China Academic Journal Elect Publishing House.reserved. http:/wwwxnki,nct1. S112. S11薄膜应力3. S11薄膜应力加弯曲应力 4. S225. S22薄膜应力6. S22薄膜应力加弯曲应力 7. S338. S33薄膜应力9. S33薄膜应力加弯曲应力图4阀体第一个位置应力线性化曲线第一个位置为阀体中法兰底端的阀颈处是一个整体结构不连续区，此处的一次薄膜应力强度不超过 32MPa，次薄膜加弯曲应力强度不超过49MPa，次加

9、二次应力强度不超过90MPa。第二个位置为 阀体左端通径处，此处的一次薄膜应力强度不超过 30MPa，一次薄膜加弯曲应力强度 不超过52MPa，一次加二次应力强度不超过91MPa。第三个位置为阀体右端通径 处，此处的一次薄膜应力强度不超过 20MPa，一次薄膜加弯曲应力强度不超过42MPa，一次加二次应力强度不超过 80MPaAll rights71994-2016China Academic Journal Ek Publishing House, reserved.http:/AAki,neto1. S112. S11薄膜应力3. S11薄膜应力加弯曲应力 4. S225. S22薄膜应力

10、6. S22薄膜应力加弯曲应力 7. S338. S33薄膜应力9. S33薄膜应力加弯曲应力图5阀体第二个位置应力线性化曲线由流场压力分布云图和静态应力云图可知，介质压力在阀体中并不是均匀分布的，进口端比出口端压力大。因此，进口端比出口端的应力强度要大，所以认为阀体整个腔体都按照设计压力或工作压力进行应力分析和力学计算是具有一定误差的All rights71994-2016China Academic Journal EPublishing House, reserved.ki.nctX f '。1. S112. S11薄膜应力3. S11薄膜应力加弯曲应力 4. S225. S22薄膜应力6. S22薄膜应力加弯曲应力 7. S338. S33薄膜应力9. S33薄膜应力加弯曲应力图6阀体第三个位置应力线性化曲线4结语流固耦合分析在工程设计中具有十分重要的意义，流体与固体的耦合作用是工程实践中经常遇到的问题，直接影响工程的经济性和可靠性，有时甚至会引起整个结 构破坏的严重后果，造成重大经济损失。参考文献1 R CC M 2002,压水堆核岛机械设备设计和建造规则S . 2EJ /T102