DN50蝶阀流动特性分析及结构优化

毕业设计（论文） DN50 蝶阀流动特性分析及结构优化 专业名称专业名称 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 毕业论文 I DN50 蝶阀流动特性分析及结构优化 摘要：摘要：蝶阀被广泛的用于发生炉、天然气、煤气、城市煤气、液化石油气、冷热空 气、城市煤气、发电环保和化工冶炼等系统工程中，以及运送各种具有腐蚀性的流 体或者没有腐蚀性流体介质的管道系统上，它的直接作用是调节或截断介质的流动。 蝶阀在阀类中是属于一种结构比较简单的调节阀类。圆盘形的蝶板是蝶阀的关 键核心，当它在阀体内绕其自身的轴线调节旋转的一定的角度，从而达到启闭或调 节的目的，在管道中主要起切断和节流作用。长期以来，在蝶阀设计中一般采用查 手册或经验设计方法，设计工作在精度、可靠性等方面有一定的局限性。在运用传 统的设计计算方法设计蝶阀结构时，为了使蝶阀结构的强度、刚度等满足要求，往 往采用加大安全系数的办法，这样很可能造成蝶阀比较笨重、结构不合理等问题。 在国外，对蝶阀的设计研究比较多，不但采用现代设计手段对蝶阀的结构进行改进， 还对蝶阀产生的噪声进行了分析。为了实现蝶阀的轻量化，提高蝶阀的性能，国内 学者也已经将有限元分析技术运用于蝶阀的设计研究，并取得了一定的成果。 本毕业设计针对 DN50 的不同类型蝶阀，开展流动特性分析，对蝶阀进行结构 设计与三维建模，然后将蝶阀的模型通过用软件 solidworks 和 Ansys 进行仿真和对 蝶阀进行流场分析，在此基础上开展蝶阀结构优化。 关键词：关键词：蝶阀； 结构设计； 流动特性分析； 结构优化 毕业论文 II 毕业论文 III Butterfly valve flow characteristics analysis and structure optimization Abstract：Butterfly valve is widely used for generator, natural gas, coal gas, city gas, liquefied petroleum gas, cold hot air, city gas, power generation, environmental protection, such as smelting and chemical system engineering, as well as the delivery of all kinds of corrosive fluid or no corrosive fluid pipeline system, its role is to regulate directly or blocking the flow of the medium. Butterfly valves in the valve is a relatively simple structure regulator. Disc of the butterfly plate is the key to the butterfly valve core, as it goes around its own axis adjustment in the valve body of certain Angle, so as to achieve the aim of opening and closing or adjusted, the main cutting and throttling effect in the pipeline. For a long time, generally USES in a butterfly valve design manual or experience design method, design work has some limitations in accuracy, reliability, etc. The use of butterfly valve structure design calculation method of the traditional design, in order to make the butterfly valve structure strength, stiffness and meet the requirements, tend to increase the safety coefficient were used, it is likely to cause butterfly valve is bulky, unreasonable structure and so on. Abroad, the design research of butterfly valve is more, not only adopts modern design methods to improve the structure of butterfly valve, also of the noise produced by butterfly valve are analyzed. In order to realize the lightweight butterfly valve, improve the performance of butterfly valve, domestic scholars have also used the finite element analysis technology to the design research of butterfly valve, and achieved some results. This graduation design according to different types of (butterfly valve, flow characteristics analysis, structural design and 3 d modeling of butterfly valve, and then the butterfly valve of the model by using the solidworks software ANSYS and simulation and flow field analysis of butterfly valve, butterfly valve structure on the basis of the optimization. Key words: butterfly valve,analysis of flow field structure, Solidworks, Ansys 毕业论文 IV 目 录 第 1 章 绪论-1 1.1 研究的背景及意义-1 1.2 蝶阀发展状况-1 1.3 主要设计内容及设计方法-2 第 2 章 蝶阀的简介-4 2.1 蝶阀的分类-4 2.2 蝶阀的密封原理-4 2.3 蝶阀的特点及性能指标-4 2.4 蝶阀适用场合-5 2.5 蝶阀的选用原则-6 第 3 章 蝶阀主要零件的设计-7 3.1 阀体最小壁厚的计算-7 3.2 蝶板中心厚度的计算-7 3.3 蝶板强度的验算-8 3.4 蝶阀阀杆力矩的计算 -10 3.4.1 密封面间摩擦力矩的计算 -10 3.4.2 阀杆与填料的摩擦力矩的计算 -10 3.4.3 静水力矩的计算 -11 3.4.4 动水力矩的计算 -11 3.4.5 蝶阀启、闭总力矩 -12 3.5 阀杆强度验算 -12 第 4 章 蝶阀三维建模 -13 4.1 SOLIDWORKS软件简介-13 4.2 蝶阀主要零件的三维建模 -13 4.3 蝶阀装配图的生成 -16 第 5 章 蝶阀流场分析 -18 5.1 SOLIDWORKS和FLOW SIMULATION简介-18 毕业论文 V 5.2 ANSYS和WORKBENCH简介 -19 5.3 SOLIDWORKS中蝶阀流场分析 -20 5.3.1 模型的准备 -20 5.3.2 环境参数的设置 -21 5.3.3 蝶阀开启 30状态时流场分析 -22 5.3.4 蝶阀开启 45状态时流场分析 -25 5.3.5 蝶阀开启 60状态时流场分析 -26 5.3.6 蝶阀开启 90状态时流场分析 -27 5.4 ANSYS中流场分析-28 5.4.1 开度为 30状态时流场分析-28 5.4.2 不同开度的蝶阀流场分析结果 -31 5.4.3 流场分析结果-34 5.4.4 结果分析-36 结论 -37 致谢 -38 参考文献 -39 毕业论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究的背景及意义 蝶阀的名称来源于翼状结构的蝶板，在阀体的圆柱形通道内，蝶板绕着其 自身轴线旋转 90，即可启、闭阀门。蝶阀作为流体输送系统中的控制部件， 具有导流、截流、调节、节流、防止倒流、分流或溢流泄压等功能，在很多的 行业和领域有大量的需求:如在石油、天然气、煤炭、冶金、和矿石的开采、提 炼加工和管道输送系统中；在水电、火电和核电的电力生产系统中；在城建的 给排水、供热和供气系统中；在冶金生产系统中;在船舶、车辆、飞机航天以及 各种运动机械的使用流体系统中；在国防生产以及新技术领域里；在农业排灌 系统中都有大量的需求。 蝶阀行业在国民经济发展中，作为装备制造业的一个重要环节，起到非常 重要的作用。蝶阀在机械产品中占有相当大的比重，据国外工业发达国家统计， 蝶阀的产值是压缩机、风机和泵三者的总和，约占整个机械工业产值的 5%。同 时，作为重大技术装备的重要组成部分，尤其是在电力、石化、冶金、城市供 排水系统的发展，对于国家工业的发展进步具有非常重要的意义。 长期以来，在蝶阀设计中一般采用查手册或经验设计方法，设计工作在精 度、可靠性等方面有一定的局限性。在运用传统的设计计算方法设计蝶阀结构 时，为了使蝶阀结构的强度、刚度等满足要求，往往采用加大安全系数的办法， 这样很可能造成蝶阀比较笨重、结构不合理等问题。在国外，对蝶阀的设计研 究比较多，不但采用现代设计手段对蝶阀的结构进行改进，还对蝶阀产生的噪 声进行了分析。为了实现蝶阀的轻量化，提高蝶阀的性能，国内学者也已经将 有限元分析技术运用于蝶阀的设计研究，并取得了一定的成果。 1.2 蝶阀发展状况 蝶阀不仅结构简单、体积小、重量轻、材料耗用低，安装尺寸小，而且驱 动力矩小，操作简单、迅速，并且还可以同时具有良好的流量调节功能和关闭 密封特性，是近十几年发展最快的阀门品种之一。特别是在美、日、德、法、 意等工业发达国家，蝶阀使用非常广泛，其使用的品种和数量仍在继续扩大， 并且向高温、高压、大口径、高密封性、长寿命、优良的调节特性以及多功能 性方向发展，其可靠性及其他性能指标均达到较高水平，并且已部分取代截止 阀、闸阀和球阀。随着蝶阀技术的进步，在可预见的短时间内，特别是在大中 毕业论文 2 型口径、中低压力的使用领域，蝶阀会成为主导的阀门形式。 原始的蝶阀是一种非常简单的，且关闭不严的挡板阀，通常在水管路系统 中作为流量调节阀和阻尼阀使用。 随着防化学腐蚀的合成橡胶在蝶阀上的应用，蝶阀的性能得以提高。由于 合成橡胶具有耐腐蚀、抗冲蚀、尺寸稳定、回弹性好、易于成形、成本低廉等 特点，并可根据不同的使用要求选择不同性能的合成橡胶，以满足蝶阀的使用 工况条件，因而被广泛用于制造蝶阀的衬里和弹性阀座。 由于聚四氟乙烯（PTFE）具有耐腐蚀性强、性能稳定、不易老化、摩擦系 数低、易于成形、尺寸稳定，并且还可以通过填充、添加适当材料以改善其综 合性能，得到强度更好、摩擦系数更低的蝶阀密封材料，克服了合成橡胶的部 分局限性，因而以聚四氟乙烯为代表的高分子聚合材料及填充物改性材料在蝶 阀上得到了广泛的应用，从而使蝶阀的性能得到更进一步的提高，出现了温度、 压力范围更广，密封性能、使用寿命更长的蝶阀。 为满足高低温度、强冲蚀、长寿命等工业应用的使用要求，近十几年来， 金属密封蝶阀得到了很大的发展。随着耐高温、耐低温、耐强腐蚀、高强度合 金材料在蝶阀中的应用，使金属密封蝶阀在高低温度、强冲蚀、长寿命等工业 领域得到了广泛的应用，出现了大口径、高压力、宽温度范围的蝶阀，从而使 蝶阀的技术达到一个全新的水平。 由于计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）以及柔性制造系 统（FMS）在阀门行业的应用，全面革新了阀门的设计计算方式，使蝶阀的设 计与制造达到了一个全新的水平。特别是在金属密封蝶阀领域，由于 CAD/CAM 的应用，出现 CAD 设计，并由 CAM 数控加工制造的三维密封副， 使阀门在启闭过程中密封面无任何挤压、擦伤、磨损，从而使蝶阀的密封性和 使用寿命成数量级提高。 1.3 主要设计内容及设计方法 在蝶阀设计中，存在蝶阀水力矩的计算、密封副的分析和计算等设计难点。 针对这些难点开展了蝶阀设计工作，主要包括以下内容： 1、蝶板的设计：包括蝶板的形状曲面设计、迎水面设计等； 2、准确确定动水压力的变化情况：包括在动水情况下的压力升值、水力矩 和蝶阀应力、变化情况。因为动水力模型一个多变量的非线性系统，受管道参 数、蝶阀参数的影响，动水力的变化是时变的，所以大都采用专业的软件确定 毕业论文 3 动水压力的变化情况。 3、寿命长、可靠性的密封副 在一般开启频率下，蝶阀的寿命是可以接受的，但是在开关频次比较多的 场合，蝶阀往往都会在很短的时间内失效。所以，寻求更好的设计以达到更高 的开关阀次数和频率仍是目前蝶阀设计的一个瓶颈。 4、蝶阀操作力矩的精度计算 蝶阀操作力矩计算是基于计算经验公式计算的，与实测的误差在 20%30%左: 右，因此，需要通过数学推导方法或快速有限元方法建立更加准确的蝶阀力矩 计算模型。 在当前蝶阀的设计中，主要是采用试验验证的方法或经验公式估选。试验 验证的方法，由于周期较长，并且受到制造成本的限制，在应用上受到很大的 限制。而经验公式估算的精度是比较低的，无法得到精确的结果。有限元技术 和计算机技术的发展，大量成熟的商业软件的出现，为解决这些问题提供了可 能。 毕业论文 4 第 2 章 蝶阀的简介 2.1 蝶阀的分类 蝶阀分类如下： 1、按结构形式分：中心密封蝶阀、单偏心密封蝶阀、双偏心密封蝶阀、三 偏心密封蝶阀。 2、按密封面材质分：（1）软密封蝶阀，其密封副由非金属软质材料对非 金属软质材料构成及金属硬质材料对非金属软质材料构成两种；（2）金属硬密 封蝶阀，其密封副由金属硬质材料对金属硬质材料构成。 3、按密封形式分：（1）强制密封蝶阀；（2）充压密封蝶阀；（3）自动 密封蝶阀。 4、按工作压力分：（1）真空蝶阀，工作压力低于标准大气压的蝶阀； （2）低压蝶阀，公称压力的蝶阀；（3）中压蝶阀，公称压力1.6aPNMP 为的蝶阀；（4）高压蝶阀，公称压力为PN2.56.4aMP:PN 的蝶阀。10.080.0aMP: 5、按工作环境分：（1）高温蝶阀，的蝶阀；（2）中温蝶阀，t 450 的蝶阀；（3）常温蝶阀，的蝶阀；（4）低温120450t 120t -29 蝶阀，的蝶阀；（5）超低温蝶阀，的蝶阀。29t -100100t 6、按连接方式分：对夹式蝶阀、法兰式蝶阀、支耳式蝶阀，焊接式蝶阀。 2.2 蝶阀的密封原理 DN50 蝶阀属于中线蝶阀，所以这里只介绍中线蝶阀的密封原理。 其密封原理为:蝶板加工时保证其密封面具有合适的表面粗糙度值，合成橡 胶阀座在模压成形时形成密封面合适的表面粗糙度值，阀门关闭时，通过阀板 的转动，阀板的外圆密封面挤压合成橡胶阀座，使合成橡胶阀座产生弹性变形 而形成弹性力作为密封比压保证阀门的密封。密封结构还可以采用聚四氟乙烯、 合成橡胶构成复合阀座。其特点在于阀座的弹性仍然由合成橡胶提供并利用聚 四氟乙烯的摩擦系数低、不易磨损、不易老化等特性，采用聚四氟乙烯作为阀 座密封面材料，从而使蝶阀的寿命得以提高。若在密封结构中在加入酚醛树脂， 使阀座在具有弹性的同时强度更好。 2.3 蝶阀的特点及性能指标 蝶阀是用圆盘式启闭件往复回转 90左右来开启、关闭和调节流体通道的 毕业论文 5 一种阀门,具有以下特点： 1、体积小、质量轻,与相同压力等级和相同公称尺寸的闸阀相比，其质量 可以减轻 30%-50%； 2、结构简单、启闭迅速，蝶阀零件较少，结构比较紧凑，启闭时只需将蝶 阀旋转 90； 3、密封和调节性能好，且可实现分级流量控制； 4、流体阻力和操作力矩较小，蝶阀的流体阻力小于截止阀、柱阀等其它类 型的阀门； 5、由于蝶板的运动具有擦拭性，故大多数蝶阀可用于带悬浮固体颗粒的固 体介质。 蝶阀的性能可以通过以下指标评定：流量系数、气蚀系数、操作力矩、密 封性能、可操作性和维护性能等。 蝶阀的开度与流量之间的关系基本上呈线性比例变化。如果用于控制流量， 其流量特性与配管的流阻也有密切关系，如两条管道安装蝶阀口径、形式等全 相同，而管道损失系数不同，蝶阀的流量差别也会很大。 如果蝶阀处于节流幅度较大状态，蝶板的背面容易发生气蚀，容易损坏。 蝶阀处于中开度时，阀体与蝶板前端形成的开口形状以阀轴为中心，两侧形成 完全不同的状态，一侧的蝶板前端顺流水方向而动，另一侧逆流水方向而动。 因此，一侧阀体与蝶板形成似喷嘴形开口，另一侧类似节流孔形开口，喷嘴侧 比节流侧流速快的多，而节流侧蝶阀下面会产生负压，往往会出现橡胶密封件 脱落。 蝶阀操作力矩，因开度及蝶阀启闭方向不同其值各异。卧式蝶阀，特别是 大口径阀，由于水深，阀轴上、下水头差所产生的力矩也不容忽视。另外，蝶 阀进口侧装有弯头时，形成偏流，力矩会有增加。蝶阀的密封有两种，一种是 软密封，另一种是硬密封(也称金属密封)。软密封由非金属软质材料对非金属 软质材料或由金属硬质材料对非金属软质材料构成。硬密封的密封副由金属硬 质材料对金属硬质材料构成。软密封蝶阀缺点是作节流使用时，由于使用不当 会产生气蚀，发生橡胶座剥落、损伤等情况。而硬密封蝶阀气蚀区减小。在日 本近年来还开发耐气蚀、低振动、低噪声的梳齿形蝶阀。一般密封座的寿命在 正常情况下，橡胶的 15 年20 年，金属的 80 年90 年。但如何正确选用则要: 根据工况要求。 毕业论文 6 2.4 蝶阀适用场合 蝶阀适用于流量调节。由于蝶阀在管路中的压力损失比较大，大约是闸阀 的三倍，因此在选择蝶阀时，应充分考虑管路系统受压力损失的影响，还应考 虑关闭时蝶板承受管道介质压力的坚固性。此外，还必须考虑在高温下弹性阀 座材料所承受工作温度限制。 蝶板的总体长度和总体高度较小，开启和关闭速度快，且具有良好的流体 控制特性，蝶阀的结构原理最合适于制作大口径阀门。当要求蝶阀作控制流量 使用时，最重要的是正确选择蝶阀的尺寸和类型，使之能恰当地、有效的工作。 通常，在节流、调节控制与泥浆介质中，要求结构长度短，启闭速度快。 低压截止（压差小），推荐选用蝶阀。 在双位调节、缩口的通道、低噪声、有气穴和气化现象，向大气少量渗漏， 具有磨蚀性介质时，可以选用蝶阀。 中线蝶阀适用于要求达到完全密封、气体试验泄漏为零、寿命要求较高、 工作温度在-10150的淡水、污水、海水、盐水、蒸汽、天然气、食品、药: 品、油品和各种酸碱及其他管路上。 2.5 蝶阀的选用原则 1、由于蝶阀相对于闸阀、球阀压力损失比较大，故适用于压力损失要求不 严的管路系统中。 2、由于蝶阀可以用作流量调节，故在需要进行流量调节的管路中宜于选用。 3、由于蝶阀的结构和密封材料的限制，不宜用于高温、高压的管路系统。 一般工作温度在 300一下，公称压力在 PN40 以下。 4、由于蝶板的结构长度比较短，且又可以做成大口径，故在结构长度要求 短的场合或是大口径（如 DN1000 以上），宜选用蝶阀。 5、由蝶阀仅旋转 90就能开启或关闭，因此在启闭要求快的场合宜选用蝶 阀。 毕业论文 7 第 3 章 蝶阀主要零件的设计 3.1 阀体最小壁厚的计算 实验室蝶阀公称直径 DN=50mm,公称压力 PN=1.6Mpa。 第一强度理论脆性材料壁厚（mm）计算式： (3-1) n 1.5* t = 2 B L PD C P 式中 阀体中腔的最大内径（mm），根据结构需要选定； N D P 设计压力一般取公称压力 PN（MPa）； 考虑附加裕量后阀体的壁厚（mm）；tB 考虑材料的许用拉应力（MPa）； L C 考虑铸造、工艺性和介质腐蚀等因素而附加的裕量； 阀体的材料为灰铸铁 HT300 查表得许用拉应力 =40MPa。 L 代公式 (3-2) n 1.51.5 1.650 t -C=1.53 22401.6 B L PD P 表表 3-1 附加裕量附加裕量 B tC C B tC C 552130:2 610:4301 1120:3- 查表得附加裕量 C 取 5mm 所以=5+1.53=6.53mm (3-3)tB 3.2 蝶板中心厚度的计算 蝶板中心处厚度计算公式如式 3-4： (3-4) 3 b=0.54HD 式中 b蝶板中心处厚度（mm）； D蝶阀流道直径（mm）； H考虑带水击升压的介质最大静压水头（m）； ；=100p HPN （） 毕业论文 8 为由于蝶板的快速关闭，在管道中产生的水击升压值（MPa）。p 可近似的按下式计算：p (3-5) v 400q p= tA 式中 体积流量（/h）； v q 3 m A阀座通道截面积(mm)； t蝶板从全开至全关所经历的时间（s）。 在实验室中测得体积流量=0.888/h，阀座通道面积 A=/4，阀门 v q 3 m 2 DN 全开至全关的时间 t=0.5s。 所以 (3-6) 3 400 0.888 b=0.054 50100=21.74mm 1962.5 0.5 （1. 6+） 3.3 蝶板强度的验算 如图 3-1 所示，应对蝶板的 A-A 断面（图 3-1）和 B-B 断面（图 3-2）进行 强度校核。 1、A-A 断面的强度校核，A-A 断面的弯曲应力按式 3-7 计算： (3-7)= A WAW A M W 式中 A-A 断面的弯曲应力（）； WA aMP A-A 断面的弯矩（）； A MmmN: A-A 断面的抗弯截面系数（）； A W 3 mm 材料许用弯曲应力()。 W aMP 按式 3-8 计算： A M (3-8) 3 m p/12 A MD 式中 p介质压力（），取公称压力；aMPPN 蝶板密封面半径。 m D 按式 3-9 计算： A W (3-9) 2 b A A J W 式中 b蝶板中部最大直径（mm）； A-A 断面的惯性矩（）。 (3-1 A J 4 mm 3 3 =l bd12 A J 0) 毕业论文 9 代入数据 b=21.74mm，l=45.1mm，d=12.7mm，=50mm ，=95Mpa m D W 计算得 (3-11) 5 3 1.0 10 20.5a 4.869 10 A W A M MP W 满足条件。 2、B-B 截面的强度校核 B-B 断面的弯曲应力按式 3-12 计算： (3-12)= B WBW B M W 式中 B-B 断面的弯曲应力（）； WB aMP B-B 断面的弯矩（）； B MmmN: B-B 断面的抗弯截面系数（）； B W 3 mm 许用弯曲应力（）。 W aMP 按式 3-13 计算： B M (3-13) j3 mm m 2 0.113 223 B Q DD MPD 按式 3-14 计算： B W (3-14) 2 b B B J W 式中 B-B 断面的惯性矩（） B J 4 mm 代入数据 b=21.74mm，=50mm，=95Mpa m D W 计算得 (3-15) 20.10a B W B M MP W 满足条件。 毕业论文 10 图图 3-1 A-A 截面截面 图图 3-2 B-B 截面截面 3.4 蝶阀阀杆力矩的计算 3.4.1 密封面间摩擦力矩的计算 蝶板与阀体密封面之间的摩擦力与密封副的结构及材料性质有关，当采用 O 形橡胶密封圈作密封面时，其摩擦力矩（）为mmN: (3-16) 2 =4q b f R MMMM M 式中 密封面必须比压（MPa），对中等硬度橡胶qM ，为密封面接触宽度（mm），p 为计算压力，一q =pb10 MM （0. 4+0. 6 ）bM 般取公称压力 PN； 密封面间的摩擦因数，对于橡胶密封圈为 0.8-1.0；fM R蝶板的密封半径。 代入数据=6.5mm，p=1.6Mpa，R=25mmbM 计算得 (3-17) 2 =4 2.09 6.5 0.9 25 =30566.25/ mm M MN 3.4.2 阀杆与填料的摩擦力矩的计算 阀杆与填料的摩擦力矩视填料的密封形式不同而不同，O 型橡(mm) T MN 毕业论文 11 胶密封圈的计算公式如式 3-18: (3-18)=Q d2 TTF M 式中 阀杆与填料的摩擦力（N）；,为常值系数，根 T Q=d b p TFT Q 据的数值确定，为填料深度，为填料宽度；hb TT hTbT 阀杆直径（mm）dF 代入原始数据 =6.5mm，=47mm，bThT 所以查得=3.65；=12.7mmdF 则 (3-19)=d b pd2=3061.28mm TFTF MN 3.4.3 静水力矩的计算 当阀杆处于垂直安装时，静水力矩为 0，即 。=0 J M 3.4.4 动水力矩的计算 动水力矩（）mmN (3-20) 2 142 d00 =2 10g-2gHMHDV 式中 全开（）时的阻力系数； 0 =0 开度为角时的阻力系数； 蝶阀开度，全开时；=0 全关时开度为角时的动水力系数；=90 g重力加速度，； 2 g=9810mm s 管道内液体流速（）； 0 Vmm s D通道直径（mm）； H计算升压在内的最大静水头；，p 为计算 4 =9.8 10p+ pH（） 压力，一般取公称压力，为由于水击作用在阀前产生的压升p 值。，Q 为体积流量，A 为管道截面积，t 为关阀p=0.04tQ A 时间。 一般情况下，动水力矩最大值在范围内，因此取6080 :70 表表 3-2 阻尼系数阻尼系数 b/D0102030405060708090 0.050.0310.221.153.189.0027.074.03323620 0.100.0440.251.093.028.2524.068.63323620 0.150.0650.251.022.967.8223.066.03323620 毕业论文 12 0.200.0960.281.002.967.8222.465.83323620 0.250.1470.361.073.058.2224.071.53323620 0.300.2220.451.183.259.2726.879.23323620 表表 3-3 动水系数动水系数 b/D0102030405060708090 0.051.23636.995.4220.55151357335713960146200 0.101.25336.692.8210.04771213311313960146200 0.151.27836.692.8210.04771213311313960146200 0.201.31537.588.8207.04551162299713960146200 0.251.37639.891.8211.54751213324313960146200 0.301.46642.596.7222.05301350358913960146200 查表得 =332，=13960，=0.222，=2.5m/s 0 0 V 代入数据计算得 d=65574.4 mmMN 3.4.5 蝶阀启、闭总力矩 蝶板转动时的总力矩，显然为以上各项的代数和，但是由于蝶板在不同开 度下，上述力矩的大小是变化的，而且开阀与关阀也不相同，因此，总力矩必 须是在同一开度和状态下力矩的代数和。 (3-21)=M +M +M +M99201.93 MTJd M 实际上，对总力矩影响最大的是。一般说，在蝶阀开启瞬间力矩较大，MM 但是得注意的是动水力矩，如果忽视，则往往当蝶阀开到中途时打不开，尤其 作为调节蝶阀更应重视。 3.5 阀杆强度验算 阀杆的扭转应力为 (3-22) 1.3 NN M W 式中 截面系数（），；W 3 mm 3 d16 F W 材料的许用扭转应力（） N aMP 代入数据=12.7mmd F 计算的 =32.0a NN MP 满足条件。 毕业论文 13 毕业论文 14 第 4 章 蝶阀三维建模 4.1 Solidworks 软件简介 SolidWorks 是立足于 Windows 系统下的原创的三维设计绘图软件。它易用 和方便的界面，使得在整个作品设计时，SolidWorks 完全自动捕捉设计意图和 引导设计修改。在 SolidWorks 的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的 零件。不论设计用“自顶而下“方法还是“自底而上“的方法进行装配设计， SolidWorks 都将以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。SolidWorks 有全面 的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的期望。用 SolidWorks 的 标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品表示的工程图纸。 SolidWorks 具有全相关的钣金设计能力。钣金件的设计即可以先设计立体的产 品也可以先按平面展开图进行设计。SolidWorks 软件提供完整的、免费的开发 工具(API)，用户可以用微软的 Visual Basic 或其它支持 OLE 的编程语言建立自 己的应用方案。通过数据转换接口，SolidWorks 可以很容易地将目前市场几乎 所有的机械 CAD 软件集成到现在的设计环境中来。 为比较评价不同的设计方案，减少设计错误，提高产量，SolidWorks 强劲 的实体建模能力和易用友好的 Windows 界面形成了三维产品设计的标准。机械 工程师不论有无 CAD 的使用经验，都能用 SolidWorks 提高工作效率，使企业 以较低的成本、更好的质量更快将产品投放市场。而最有意义的是，用于 SolidWorks 的投资是容易承受的，这使得参加工程设计的所有人员都能在他们 桌面上的计算机进行三维设计。 4.2 蝶阀主要零件的三维建模 蝶板的三维建模，主要运用了拉伸的特征，三维模型图 4-1 和图 4-2 所示： 图图 4-1 蝶板三维模型图蝶板三维模型图 4-2 蝶板的三维模型蝶板的三维模型 毕业论文 15 螺栓和螺母的三维建模，主要运用了拉伸、螺旋扫描等特征，三维模型如图 4- 3，图 4-4 所示： 图图 4-3 螺栓三维模型螺栓三维模型 图图 4-4 螺母三维模型螺母三维模型 阀体的三维建模，主要运用了拉伸、旋转和打孔等特征，三维模型如 图 4-5、 图 4-6、图 4-7 所示： 图图 4-5 阀体的三维模型阀体的三维模型 图图 4-6 阀体的三维模型阀体的三维模型 毕业论文 16 图图 4-7 阀体剖视图阀体剖视图 阀杆和垫圈的三维建模，如图 4-8、图 4-9 所示： 图图 4-8 垫圈垫圈 毕业论文 17 图图 4-9 阀杆阀杆 4.3 蝶阀装配图的生成 在产品的设计阶段实现零件的精确建模及建立零件间正确的装配配合关系， 对于保证产品质量有举足轻重的意义。只有在零件尺寸准确和相互配合关系正 确的前提下，才可能在随后的产品检测阶段顺利地实现动态模拟装配、进行干 涉检查、有限元分析及优化设计等工作。 Solidworks 中常用装配的设计方式主要有：由下而上装配方式、由上而下 装配方式。蝶阀采用自下而上的装配方法。最后的装配图如图 4-10，图 4-11 所 示： 图 4-10 为蝶板在关闭状态下的装配图： 图图 4-10 装配图装配图 毕业论文 18 图 4-11 为蝶板在 45开度状态下的装配图： 图图 4-11 装配图装配图 毕业论文 19 第 5 章 蝶阀流场分析 蝶阀作为流体输送系统中的控制部件，为了分析阀门的流通能力及流体的 通过状态，有必要对蝶阀内流动的液体的压力、速度、流动方向等参数进行分 析。 首先通过对瞬变流的前面四章的学习，掌握了一定的流体分析和计算 的基础理论知识，另一方面通采用 solidworks 软件中的 flow simulation 这款插 件对蝶阀在不同的开度下的流态进行了仿真分析和运用 ansys 中的 workbench 对流体模型进行相互的比较分析。对模型的压力变化、流速分析和流线分析等 进行了进一步的分析，从而在对比的情况下，获得了更加科学的结论。 5.1 Solidworks 和 flow simulation 简介 Solidworks 主要包含制图和设计仿真两个方面。在制图方面，solidworks 基 于 windows 操作平台下。在仿真方面，solidworks 主要由插件完成，并且 solidworks 的插件很全面，基本能满足所有的仿真设计的需求。在本课题中主 要选 solidworks flow simulation 对阀体内部的流场进行分析。 Flow simulation 插件是基于有限体积法求解流体力学问题的。Flow simulation 插件能自动识别计算区域，能自动识别流体和固体。Flow simulation 通过与坐标轴平行的平面来分割计算域，在计算过程中还能自动对网格进行调 整，Flow simulation 能方便的对流体狭通道加密网格，并且能有灵活的局部网 格加密功能。因此，它是一套功能强大，完全整合在 solidworks 中的纯窗口化 的流体分析软件，它能允许使用者在设计产品后立即进行分析，而且不需要转 换任何的资料到分析指令上。Flow simulation 提供基本的流体分析能力，并有 许多其它的功能，如多孔介质，混合流体，风扇曲线等等，还有高级的后处理 能力。 Flow simulation 具有以下特点： 1、通用性方便 Flow simulation 可以让用户在 solidworks 环境中更好的了解和验证从而提 高设计质量，这样使得设计不仅更好而且更加智能。如在液压/气动系统加工者 通过考虑流场分布和压力差分布更好的改善设计；HVAC 设备加工者能够优化 产品的性能：通过参考管道的流体、热交换器，在房屋中的流体和温度分布从 而更好的决定管道位置等。 毕业论文 20 2、易用性好 Flow simulation 是独特且唯一能够与 solidworks 完全内嵌的流体模拟产品。 当进行流体分析的时候，需要考虑模到型内部的空腔或者周围的空间。传统的 方法需要利用空腔命令生成代表空腔的负几何体。然而在 Flow simulation 中就 可以不需要这个负几何体来进行分析。Flow simulation 自动的将 solidworks 装 配体当中的空腔设定为流体区域从而自动区别流体和其他各种不同的实体区域。 当完成 solidworks 的流体模型，需要完成的仅是点击 Flow