（化工过程机械专业论文）大口径闸阀阀体加筋结构优化与疲劳分析.pdf

硕十学位论文 摘要 大口径闸阀是公称通径为3 5 0 m m - - 1 2 0 0 m m 之间的闸阀，在工业上有着广泛的 应用。由于大口径闸阀阀体受到安装尺寸的限制，其容纳闸板的中腔通常为扁圆 形或椭圆形的异形容器，很难用理论公式对其进行结构分析。因此，对大口径闸 阀阀体进行结构优化十分困难，结构优化也只能依靠工程经验。阀体作为大口径 闸阀承压主要部件之一，由于其结构复杂，会产生应力集中、变形不协调，然后 导致阀体使用寿命降低、发生泄漏。因此，通过采用先进的计算机辅助工程( g 墟， c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术对大1 2 1 径闸阀阀体结构的强度、刚度性进行数值 分析和优化设计，并对阀体结构进行疲劳寿命分析。进而为阀体结构的改进提供 依据和指导，缩短产品开发设计过程。 本论文以大口径闸阀阀体为主要研究对象，利用大型有限元软件a n s y s 对其 进行有限元静力分析、优化计算和疲劳寿命分析。 以a n s y sw o r k b e n c h 优化分析平台，建立大口径闸阀阀体的模型，根据实际 情况设定边界条件，分别按照实际工况和试验工况施加载荷，对阀体进行了有限 元静力分析，研究阀体等效应力的大小和分布状况。结论认为大口径闸阀阀体的 应力集中现象明显，且在实验压力下不能满足使用要求，所以在阀体中腔外部增 加加强筋，以此降低阀体的最大等效应力并使应力分布更加均匀。 在满足工程要求的情形下，对加强筋的结构进行优化( 一定的范围内) ，找 到一个最有效的方案。本文采用两种方法对加强筋的结构进行优化，只是后者结 合了中心法的优化算法。两者优化结果一致，但后者迭代步骤更少，计算简便。 优化结果表明，改进后的阀体等效应力最大值减小3 5 8 2 ，应力集中程度减小， 改善了阀体的应力分布状况，使其分布更加均匀，变形协调，提高阀体的强度和刚 度。 最后，利用a n s y sw o r k b e n c hf a t i g u e 软件，结合疲劳损伤理论、a s m e 法规 第卷的要求，对大口径闸阀阀体进行疲劳分析计算，找出设计薄弱的阀体部分， 通过优化阀体结构，增加阀体强度，提高阀体使用寿命。 关键词：大口径闸阀阀体；有限元法：静力分析；结构优化：疲劳分析 大口径闸阀阀体加筋结构优化与疲劳分析 寡曼曼曼曼皇蔓皇蔓曼罡笪曼曼i 一i a b s t r a c t l a r g e - c a l i b r e dg a t ev a l v ed n i s3 5 0 m m - - 1 2 0 0 m m t h e ya r ew i d e l yu s e di nt h e p r o c e s si n d u s t r y a st h er e s u l to fl a r g e - c a l i b r e dv a l v eb o d yr e s t r i c t e db yi n s t a l l a t i o n s i z e ，t h ec a v i t yi sd e s i g n e dt or o u n do ro v a li ns h a p ew h i c hc o n t a i n sf l a s h b o a r d s oi ti s h a r df o ru st oa n a l y z ei tu s i n gt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a ，f u r t h e rt h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n w eh a sn oo p t i o nb u tt or e l yo ne n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e t h ev a l v eb o d yi so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fl a r g e - c a l i b r e dv a l v e b e c a u s eo fi t ss t r u c t u r e ，t h e r ec a n b ec o m p l e xs t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dd e f o r m a t i o n t h e ni tc a u s eb o d yl i f ei sr e d u c e da n d t h el e a k a g e t h e r e f o r e ，t h r o u g ht h ea d v a n c e dc a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) t e c h n i q u e ，w ec a nd os t r u c t u r es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ha n a l y s e sf o rt h el a r g e - c a l i b r e d v a l v eb o d y t h e nw ec a nd os t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt h ef a t i g u ea n a l y s i s i n s h o r t ，i tw i l lp r o v i d eu sg u i d a n c ea n ds h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s t h em a i ns u b j e c to ft h i st h e s i si sa b o u tl a r g e c a l i b r e dv a l v e b yu s i n gt h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，w ec a l ld os o m ew o r ks u c ha ss t a t i ca n a l y s i s ，s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o na n df a t i g u ea n a l y s i s i na n s y sw o r k b e n c hp l a t f o r m ，t h eg e o m e t r i c a lm o d e lo fl a r g e - c a l i b r e dv a l v e b o d yc a nb eb u i l t a c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o n ，w es e tb o u n d a r yc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n sa n de x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，w er e s p e c t i v e l ya p p l y l o a d s t h e nw em a k es t a t i ca n a l y s i sa n ds t u d yi n t e n s i t ya n dd i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n t s t r e s s w ec o n c l u d et h a tl a r g e c a l i b r e dv a l v eb o d yc a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n tu n d e r t h ee x p e r i m e n tp r e s s u r ea n dt h e r ei sap h e n o m e n o no fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n s ow em a k e s o m er i b sa tt h eo u t s i d eo ft h ec a v i t yi no r d e rt or e d u c et h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s s a n dm a k et h es t r e s sw e l l d i s t r i b u t e d a st h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n tb e i n gm e t ，w eo p t i m i z et h es t r u c to fr i b sa n df m d am o s te f f e c t i v es o l u t i o n b a s e do nt w ok i n d so fm e t h o d s ，w eo p t i m i z et h es t r u c t u r eo f r i b s o n l yt h el a t t e rm e t h o du s e st h ec e n t e rm e t h o da sa l lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m b o t h t h et w oo p t i m i z a t i o nm e t h o dr e s u l t sc o n s i s t e n t ，b u tt h el a t t e ri t e r a t i v ep r o c e d u r ei sl e s s a n ds i m p l ei nc a l c u l a t i o n o p t i m i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s s o ft h eb o d yd e c r e a s e s3 5 8 2 t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e sa n dt h es t r e s s d i s t r i b u t e sm o r ee v e n l ys ot h a ti ti m p r o v e st h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo ft h eg a t ev a l v e u s i n ga n s y sw o r k b e n c hf a t i g u es o f t w a r e ，c o m b i n i n gf a t i g u ed a m a g et h e o r y a n dt h e v o l u m eo fa s m er e g u l a t i o n s ，w em a k ef a t i g u ea n a l y s i so fl a r g e c a l i b r e d v a l v eb o d ya n df i n do u tt h ew e a kb o d yp a r t s t h e nw ed e s i g nt h eb o d yb ys t r u c t u r a l i l 硕士学位论文 o p t i m i z a t i o na n di n c r e a s et h es t r e n g t ha n di m p r o v et h eu s i n gl i f eo ft h ev a l v eb o d y k e yw o r d s ：l a r g e - c a l i b r e dg a t ev a l v eb o d y ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t a t i cf o r c e a n a l y s i s ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ；f a t i g u ea n a l y s i s 大口径闸阀阀体加筋结构优化与疲劳分析 曼曼曼曼! 皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼皇曼皇鼍ii 一 i_ i i 皇曼曼曼鼍曼鼍曼鼍曼鼍皇苎曼曼曼璺量 插图索引 图1 1 闸阀外形图o o oq o00 0 gqo io 8 1 图1 2 闸阀结构示意图i 图1 3 明杆楔式闸阀结构图2 图1 4 暗杆楔式闸阀结构图2 图1 5 结构优化设计方法简图5 图2 1 四节点四面体单元图o o oooooo 0o 1 0 图2 。2d e s i g n x p l o r e 的四种结果显示图2 0 图3 1 阀体三视图2 1 图3 2 阀体中腔草图2 2 图3 3 阀体中腔实体图2 2 图3 4 阀体模型图2 2 图3 5 阀体模型内部视图2 2 图3 6 位移精度和计算时间随网格数量的变化2 3 图3 7 不同阶次单元的收敛情况2 4 图3 8 位移不协调的网格划分2 5 图3 9 阀体有限元模型图”d ogdooogo 2 7 图3 1 0 材料参数设定图3 0 图3 1 1e n g i n e e r i n g d a t a 窗口3 0 图3 1 2 施加约束后的阀体模型3 1 图3 1 3 施加载荷后的阀体模型3 1 图3 1 4 工作压力下应力分析云图3 2 图3 1 5 工作压力下位移分析云图3 2 图3 1 6 实验压力下应力分析云图3 2 图3 1 7 实验压力下位移分析云图3 2 图3 1 8 近似椭圆形结构图3 3 图3 1 9 加筋后阀体模型三视图3 4 图3 2 0 加筋后阀体应力分析云图3 4 图3 2 1 加筋后阀体移位分析云图3 4 图4 1 输入变量设置图” 3 8 图4 2 设计参数灵敏度分析图3 9 图4 3f d l 对阀体等效应力的影响图4 0 图4 4f d 2 对阀体等效应力的影响图4 0 i v 硕：卜学位论文 曼曼曼曼! 曼曼鼍曼曼鼍i i|l i 皇笪曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼鼍鼍 图4 5f d 3 对阀体等效应力的影响图4 0 图4 6r 1 对阀体等效应力的影响图4 0 图4 7r 2 对阀体等效应力的影响图4 0 图4 8r 3 对阀体等效应力的影响图4 0 图4 9f d l 与r 1 对等效应力三维响应面4 1 图4 1 0f d 2 与r 2 对等效应力三维响应面4 1 图4 1 1f d 3 与r 3 对等效应力三维响应面4 1 图4 1 2f d l 与f d 2 对等效应力三维响应面4 2 图4 1 3f d l 与f d 3 对等效应力三维响应面4 2 图4 1 4f d 2 与f d 3 对等效应力三维响应面o gqoqo 4 2 图4 1 5 优化后阀体等效应力云图4 3 图4 1 6 优化后阀体位移分布图o oo obo oooo 000 ooog 4 3 图4 1 7 第一次迭代4 4 图4 1 8 第二次迭代i ooo 4 4 图4 1 9 阀体最大等效应力随迭代次数的变化图4 8 图4 2 0 阀体质量随迭代次数的变化图4 8 图4 2 1 阀体中腔最大位移随迭代次数的变化图4 8 图5 1 钢材有效应力集中系数k ，曲线5 7 图5 2 钢材有效应力集中系数疋曲线5 7 图5 3 阀体的有限元单元化模型图5 9 图5 4s n 曲线图6 0 图5 5 疲劳分析参数设置图6 2 图5 6 阀体安全系数图6 2 图5 7 阀体等效应力云图6 2 图5 8 阀体疲劳寿命云图6 2 图5 9 加筋后阀体等效应力云图6 2 图5 1 0 加筋后阀体疲劳寿命云图o g bgooo qo oo 6 2 图5 1 1 优化后阀体等效应力云图0 000 6 3 图5 1 2 优化后阀体疲劳寿命云图6 3 v 大口径闸阀阀体加筋结构优化与疲劳分析 附表索引 表4 1 加强筋优化前后结果比较关系4 3 表4 2 阀体体积与最大等效应力随迭代次数变化与结果4 7 表4 3 筋的参数随迭代次数变化与结果4 7 v 1 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：景朋乌弘 日期：2 。口年5 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本堂伊论文作者完拿了鳃学校有关但留使蜀学位论文的规帝同囊学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) e t 期：2 0 0 年5 月z 7 日 日期：文口，口年s 月。7 日 1 1 闸阀简介 第1 章绪论 闸阀作为管线上闭路装置，应用范围较广阔。闸阀在石油、化工、电力、城 建和工业企业的给排水、供热及供气系统中有着广泛的应用i i i 。 闸阀是指关闭件( 闸扳) 沿通路中心线的垂直线方向移动的阀门，闸阀外形如 图1 1 所示。闸阀一般不考虑它的节流作用，适合应用于高压和高温的场合，以及 不同介质的流体，但一般不用于泥浆、粘稠性流体等口】。闸阀一般用来接通或切断 管路中的介质。闸阀结构包括：阀杆、阀盖、阔座、闸扳、阀体，如图1 2 所示。 图11 闸阀外形图盈12 闸阀结构示意图 1 1 1 闸阀的分类 阀杆 阀盖 阀座 闸板 阀体 闸阀按阀杆的构造闸阀又可分为明杆闸阀和略杆闸阀。 ( 1 ) 明杆闸阀；阀杆螺纹在阀盖上部，通过阀杆螺母旋转，使阀杆作升降运动 米实现阀门启闭。如图1 3 所示。明杆闸阀由于其螺母及螺纹部分都在阀体外部， 不与介质接触，也便于润滑。同时其开启程度可以由阎杆螺纹部分伸出的长度明 显观察出来，比较直观而利于操作，因而广泛采用，但需要更大的操作空间。 ( 2 ) 暗杆闸阀：阀杆螺母固定在闸板上，通过阀杆旋转，使螺母带动闸板作升 降运动来实现阀门启闭。暗杆闸阀其螺母及螺纹部分都在阀体内与介质直接接触 因而易受介质腐蚀，且螺纹部分无法进行润滑。其开启程度不能由阀杆位置直观 查呈堡雪塑垦笪堡堑丝丝堡! l 耋垄茎坌丝 显示，必须另设指示装置。如图1 4 所示。这种结构的优点是：阀杆不作升降运动， 闸阀的高度总保持不变，因此安装空闻小，适用于大口径或对安装空间受限制的 闸阀【”。 倒翮 图13 明杆楔式闸阀结构图圈l4 暗杆楔式闸阀结构图 闸阍按密封面配置可分为平行式和楔式闸阀两大类。 ( 1 ) 平行式闸阀；闸板的两个密封面互相平行，阀座密封面垂直于管道中心线。 平行式闸板按结构分为平行单闸板和平行双闸扳两种闸阀。 平行式单闸板结构简单易于制造，但不能靠阀杆施加的轴向力在密封面上形 成比压，因而它只能靠介质作用力来密封，故多用于低压大口径场合。 平行式双闸板是由两块板组合而成，井装有弹簧或楔块，以形成密封面间的 比压。其中以带推力楔块的结构撮为常见，既在两闸板中间有双面推力楔块，这 种闸阀适用于低压中小口径( d n 4 0 3 0 0 m m ) 闸阖。也有在两闸板间带有弹簧的， 弹簧能产生预紧力，有利于闸扳的密封。 ( 2 ) 楔式闸阀：阀座密封面不垂直于管道中心线，而是成某一倾角，即两个密 封面成楔形的闸阀。因而闸板呈楔形，并靠此楔角在阀杆轴向力作用下密封面间 获得比压。楔式闸阀分为单闸板、双闸板和弹性闸板三种。 密封面的倾斜角度一般有5 。、3 。3 0 或2 0 5 2 等，闸扳的楔角不能任意选取，而 必须在若干规定的角度中去选取。显然，同样阀杆力作用下，楔角越小可以在密 封面问获得越大的密封比压。对于工作温度较高的情况，选取的楔角要大些，以 防由于阀体、阔板的变形不均匀而造成闸板的“楔死”。一般铸铁闸阀选用3 。3 0 ， 铸钢闸阀选用5 。 单闸板楔式闸阀闸板结构简单使用可靠，但楔角的精度要求较高，加工和 维修较困难，温度变化时“楔死”的可能性很大，多用于d n 吐 0 ) 达到单向拉伸断裂时横截 面上的极限应力叽，材料发生断裂破坏。破坏条件为： 口l ，吒( q 0 ) ( 3 1 ) 强度条件为： 叽( j 。 0 ) ( 32 ) 最大主应力理论主要适用于脆性材料( 如陶瓷、部分工具钢等) 在二向或三 向受拉，对于存在有压应力的脆性材料，只要最大压应力值不超过最大拉应力值， 大口径闸阀阀体加筋结构优化与疲劳分析 也是正确的。 3 2 1 2 第二强度理论最大伸长线应变理论 最大伸长线应变理论认为，引起材料发生脆性断裂的主要因素是该点的最大 伸长线应变f 一，即无论材料处在何种复杂应力状态下，只要构件危险点处的最大 拉应变g ，达到了最大伸长应变的某一个极限值g 。时，材料就会发生断裂破坏。由 广义胡克定律可知： 占。一去h 一，( 盯：+ 吧) 】 ( 3 3 ) 单向拉伸断裂时 占。a i o r b ( 3 4 ) 于是破坏条件为 吉b i - - 1 ( o 2 = l 0 3 ) 】苫o e b ( 3 5 ) 即b ，一v p ：+ 吧) 】苫o - b 所以，强度条件为 吼一v p ：+ 吗) s b 】 ( 3 6 ) 此理论考虑y - 个主应力的影响，形式上比第一强度理论完善，但用于工程 上其可靠性很差，现在很少采用。 3 2 1 3 第三强度理论一最大切应力理论 最大切应力理论认为，使材料发生塑性屈服的主要因素是最大切应力f 一，无 论材料处于何种复杂应力状态下，只要材料内任一点处的最大切应力f 一达到某一 个极限切应力t 时，材料就在该处发生塑性屈服。 t 一生二堡(37)max 4 i 二 忱， 单向拉伸时 。a 了o r s ( 3 8 ) 破坏条件为 o r i - o 3 q ( 3 9 ) 硕士学位论文 蔓曼皇曼鼍曼曼曼曼。一。 m i i m m m m 一一 m l 曼曼曼皇曼皇! 曼量曼! 皇曼皇曼曼曼曼葛 于是强度条件为 q 一吧sp 】 ( 3 1 0 ) 该理论对于单向拉伸和单向压缩的抗力大体相当的材料( q 2 3 5 、4 5 钢等) ，是 适合的。在a n s y s 软件中，称之为应力强度( s t r e s si n s t e n s i t y ) ，这也是以有 限元分析为基础的设计或强度校核中通常采用的标准。 3 2 1 4 第四强度理论形状改变比能理论 形状改变比能理论认为，使材料发生塑性屈服的主要原因，取决于该点的形 状改变比能。也就是说，无论材料处于任何的复杂应力状态下，只要材料内任一 点的形状改变比能屹达到材料单向拉伸屈服时形状改变比能的极限值 ，。，材料就 会发生塑性屈服。 ”岩k ，吧) 2 + ( 吁吧) 2 + g - - a 1 ) 2 】 ( 3 1 1 ) 单向拉伸时： 口1 0 8 ，仃2 = 盯，= 0 可得 ，。坐口。2 ( 3 1 2 ) 1 2 ) 屹。i 了吼 u 破坏条件为 岩k 吧) 2 + b ：吧) 2 + 0 - - 吼) 2 苫等q 2 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 于是强度条件为 镌 ( 盯。一仃：) 2 + p ：一仃，) 2 + ( 吗一q ) 2 】s p 】 ( 3 1 5 ) 试验表明，对于塑性材料，例如钢材、铝、铜等，这个理论与试验结果符合。 形状改变比能理论本质上仍然是以考虑剪切影响为基础的，但是最大剪应力理论 更加完善些。这也是许多塑性材料广泛采用的一个理论，但对脆性材料的拉断破 坏仍不适用。 在a n s y sw o r k b e n c h 软件中等效应力e q u i v a l e n ts t r e s s ，即可用3 1 5 式来表 示。 3 2 2 材料的参数的设定 进入a n s y sw o r k b e n c hs i m u l a t i o n 环境，点击s o l i d ，进行材料参数设定，如 图3 1 0 所示。在材料参数设定的m a t e r i a l 栏中选择n e wm a t e r i a l ，然后在弹出的 奎罟誓曹雪璺笪垫墼篁塑堡些皇鎏鉴坌堑 e n g i n e e r i n g d a t a 窗口中输入材料的参数，如杨氏模量和泊松比等。如图3 1 1 所示。 筐 l 目i o e f l l z h 0 1 i 8 e s s d “ l h t r i ln n l 【 图31 0 材科参数设定图31 1e n g i n e e r i n gd a t a 窗口 3 2 3 阀体边界条件的确定 根据我国阀门行业的阀门试验标准g b t 1 3 9 2 7 - - 1 9 9 2 规定，工业阀门的壳体压 力试验介质一般为水和空气。壳体试验过程中，在规定的保压时间内检验受试阀 门是否达到相应标准规定的性能要求。 3 2 3 1 约束条件的确定 阀体两端都是法兰连接，在作水压试验的时候法兰两边用盲板封住。相当于 两端被固定，所以对两端法兰端面上施加固定约柬；而中法兰与阀盖连接形成 密封，所以在中法兰端面施加垂直于端面的约束，施加约束条件后的模型如图3 1 2 所示。 3 2 4 阀体静力分析 图31 3 施加载荷后的阀体模型 3 2 4 1 工作压力下阀体静力分析 大口径闸阀阀体由w c b 铸造而成。w c b 的材料特性为：杨氏弹性模量 e = 2 0 6 g p a ，泊松比= 02 5 许用应力 口 - 1 2 06 9 m p a ，抗拉极限为4 8 2 8m p a ， 屈服极限为2 4 8 3m p a 。在工作压力5 0 m p a 下，对阀体进行应力及变形的有限元分 析。既对阀体进行强度及刚度分析。阀体的刚度是阀体性能的重要指标。通常需 要把体腔变形控制在一定的范围内。否则，闸阀会因为阀体受力变形不均匀而发 生泄漏。 有限元分析之后，我们得到大口径闸阀阀体的应力分析云图、位移分析云图， 玷一_ 酉暴墨 查呈耋雪塑塑堡罂彗董堡堡些耋堡茎坌塑 分剐如图31 4 、3 1 5 所示所示。其中应力采用的是第四强度理论形状改变比能 理论为基础的等效应力。由图31 4 可知阀体最大等效应力为1 0 1 0 9 m p a ，小于我们 的许用应力 口 = i z o 6 9 m p a ，满足阀体的强度要求，它位于中腔处：且中腔有应 力集中现象。由图3 1 5 可知阀体最大位移为0 0 9 8 m m ，满足阀体的刚度要求，且最 大位移在中腔处，有四个主要的分布区域。 田31 6 实验压力下应力分析云图圈3 实验压力下位移分析云图 综上所述，在工作压力下进行分析阀体的强度及刷度满足设计要求。只是在 同体中腔有明显的应力集中现象。若在实际使用会增大阀门运行中的风险，降低 硕一t z 学位论文 阀门的使用寿命。在实验压力下进行分析，阀体的强度及刚度都不满足设计要求， 应力集中现象更加明显，且阀体在实验情况下是危险的。因此从安全和经济的角 度出发，我们需要在阀体外部加筋来解决这些问题。 3 2 5 加筋后的阀体模型 根据闸阀中腔外壁的结构尺寸加三筋板，且均匀分布。三筋板中靠近中法兰 的为第一条筋板，往下依次为第二条筋板和第三条筋板，第一条筋板处中腔外壁 形状接近圆形，筋设计成圆形；第二条筋板和第三条筋板设计成近似椭圆形。 在径向方向，近似椭圆形结构尺寸主要由小圆半径r 1 ，大圆半径r 2 ，过渡倒 角r 3 决定，如图3 1 8 所示。 2 图3 1 8 近似椭圆形结构图 圆形结构尺寸由圆半径r 决定。分别以： 第一条筋板的圆半径r 1 = 3 1 4 4 m m 为第一个参数； 第二条筋板的小圆半径r 2 = 3 1 4 4 m m ，大圆半径r 3 = 1 2 7 5 m m ，过渡倒角 r 4 = 2 0 0 m m 为第二，三，四个参数； 第三条筋板的小圆半径r 5 = 3 1 4 4 m m ，大圆半径r 6 = 1 2 3 0 m m ，过渡倒角 r t = l o o m m 为第五，六，七个参数； 在厚度方向，分别以： 第一条筋板的厚度h x = 3 0 m m 为第八个参数； 第二条筋板的厚度h 2 = 3 0 m m 为第九个参数； 第三条筋板的厚度h 3 = 3 0 m m 为第十个参数； 加筋后的阀体模型如图3 1 9 所示。 3 3 奎呈耋鲁塑塑垒堡堑董堡堡堡耋垄茎坌堡 图32 0 加筋后阀体应力分析云图 图32 1 加筋后阀体位移分析云图 本文研究的大口径闸阀阀体中腔为连续渐变的椭凰结构，其受力十分复杂， 在其外部加的加强筋结构参数也多。我们不能盲目通过增加筋的厚度和横向尺寸 巧一瓣1叠烹黼霹 硕十学位论文 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼鼍i ii ii i 皇曼鼍曼曼 来降低阀体的应力和阀体的位移，这样会增加阀体质量和成本；除此之外，阀体 还受铸造工艺，安装要求的限制。因此，我们也不能盲目增加加强筋的几何尺寸。 特别，当阀体的质量有要求时，有必要对加强筋的结构进行优化。即在一定的设 计范围内，寻求结构的最优解。因为合理的加强筋结构质量分布更能提高阀体强 度与刚度。 大口径闸阀阀体加筋结构优化与疲劳分析 第4 章大口径闸阀阀体加筋结构优化 4 1 优化设计简介 优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓最优设计，指的是一种 方案可以满足所有的设计要求，而且所需要的支出( 如质量、面积、体积、应力、 费用等) 最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案设计方案任何 方面都是可以优化的。比如，尺寸、形状、支撑位置、制造费用、自振频率、材 料特性等。实际上，所有可以参数化的选项都可以作优化设计。而且针对多目标 优化问题，可以对要优化结构计算结果进行参数化处理，绘制设计空间，快速得 到多项指标皆趋向于最好的设计方案【删。 4 1 1 优化设计的基本原理 优化设计的基本原理是通过构建优化模型，运用各种优化方法，通过在满足 设计要求条件下的迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优化设计方案。 m i n f i x j = f 协l ，戈2 ，z 。j g l 伍) u g i b l ，z 2 ，z 。工g 一1 , 2 ，m ) ( 4 1 ) x 一( x 。， ) r 式中，风的为设计变量的目标函数；x 为设计变量；g i 为状态变量。设计变量为 自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的，对于每一个设 计变量都有上下限，用户必须规定x 中的每一个元素x k ( k = l ，2 ，1 ) 的最大值，最 小值，它定义了设计变量的变化范围，状态变量是约束设计的数值，是设计变量 的函数，状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面的限制。目标函数是要尽 量小的数值，它必须是设计变量的函数。 4 1 2 优化设计的分类 1 拓扑优化设计 与传统优化设计不同的是，拓扑优化设计无需优化设计变量，它将整个结构 体上的质量分布函数作为优化参数，而将模型中每个单元的“伪密度作为设计 变量，其优化目标是在满足所有约束条件下( 如体积约束等) ，使所选择的优化标 准达到最大或最小化( 如结构柔度能量达到最小、结构低阶频率最大化等) 。 2 形状优化设计 形状优化设计技术的大规模发展，它是基于c a e 技术及数学规划方法的基础 硕士学位论文 曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼曼曼曼_ m m m m 鼍曼皇曼曼皇皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼鼍曼璺曼曼皇曼曼曼曼置 上发展而来的一种设计方法，主要用于产品详细设计阶段。其基本原理上发展而来 的一种设计方法，主要用于产品详细设计阶段。其基本原理是：以参数化方式建立 c a e 模型( 设计参数) ，在满足设计要求的条件下( 约束函数) ，运用各种优化算 法进行迭代计算，求得目标函数的极值，从而得到最优设计方案：在一般的形状 优化设计中，目标函数通常包括质量、最大应力、最小寿命、最大变形等结构响 应参数；而设计变量通常包括几何尺寸、材料性能等参数；约束函数通常包括最 大应力限制、最大变形限制等。 优化算法本身经过多年的发展，产生了实验设计方法( d o e ) 、数学规划法、 变分方法等多种类别，在实际产品设计中有着广泛的应用。由于c a e 计算本身就 是一项非常耗费计算资源的工作，一般算法需要大量的、甚至成百上千次的重复 计算。但是，近年来基于变分技术的优化设计方法由于将优化技术“置入”c a e 程序内核，只需单次c a e 计算即可完成优化设计过程，降低了优化设计的计算工 作量。 4 2 大口径闸阀阀体加筋结构优化 4 2 1 影响阀体强度的加强筋结构参数化及优化 以阀体质量约束条件下阀体最大等效应力和阀体中腔最大位移为目标函数， 以阀体加强筋结构的尺寸作为设计变量，对阀体加强筋结构进行优化。本文仅以 加强筋的六个主要参数来研究它们对阀体最大等效应力影响。 对第一条筋的半径r l ，第二条筋的大圆半径，3 ，第三条筋的大圆半径r 6 ；第一 条筋的厚度h l ，第二条筋的厚度h 2 ，第三条筋的厚度 3 的进行参数化，分别以这 些参数为优化变量进行优化。 ( 1 ) 优化目标：阀体最大等效应力和阀体中腔最大位移。 ( 2 ) 加强筋结构参数化 将，l 的参数化设计变量定为d sr 1 ，初值为3 1 4 4 m m ，根据螺栓安装要求确 定优化范围为2 9 0 3 3 0 m m ； 将，3 的参数化设计变量定为d sr 2 ，初值为1 2 7 5 m m ，根据阀安装要求确定优 化范围为1 2 5 0 - 1 3 1 0 r a m ； 将厂6 的参数化设计变量定为d s，初值为，根据阀安装要求确定优 化范围为 一 _ r 3 1230raml210 1 2 7 0 m m ； 将h 1 的一半作为参数化设计变量，并定为d sf d l ，初值为1 5 r a m ，根据螺栓 安装要求确定优化范围为7 1 5 m m ； 将h 2 的一半作为参数化设计变量，并定为d sf d 2 ，初值为1 5 r a m ，根据铸造 3 7 奋譬堡璺塑塑些1 2 彗彗垫墨兰皇銮耋坌堑 要求确定优化范围为7 2 0 r a m ： 将b 的一半作为参数化设计变量，并定为, i sf d 3 ，初值为1 5 r a m ，根据铸造 要求确定优化范围为7 2 0 r a m ： ( 3 ) 优化方法：采用一阶优化方法，印通过对目标函数添加罚函数将有约束的 多变量非线性规划问题变成无约束的非线性规划问冠以因变量对设计变量的偏 导数来决定搜索方向，自动运行优化程序，在优化的每一次循环中都对模型重新 划分厨格，完成优化分析。 进y a n s y sw o r k b e n c hd e s i g n x p l o r e r f 苊忧模快，输入我们已经参数化的设计 变量，并且定以变量类型，进行优化设计。其过程如图4 1 所显示。 m 埘tv - _ h = 叭t o o l lm l ，】j 铂目。霈s | l 五躅琏鹤 u 商r 町u l t e r s e 辛h t a t l cd i n 争h l n “ 口 如d m o p t o n # 矗b q 。“ 躁蟹强懋_ 一 1 9 繁：锰曼。 。 1 9 o l ：。l 15 a l u e = i s h _ f d 3o fd 啦lo f“mo fh o 图4 1 输入变量设置 4 2 2 加强筋结构优化后的参数分析 4 221 参数的灵敏度分析 由图4 2 可知，参数的灵敏度显然不同f d 3 即第三条加强筋厚度的灵敏度最 高为01 7 7 0 r 1 印第一条加强筋半径的灵敏度最低为00 1 2 8 。同时这些参数的灵 敏度符号不同，有正负之分，正号表示随参数的增加，阀体最大等效应力在减小； 负号表示随参数的增加，阀体最大等效应力在增加。在本文指定的设计参数中，阀 体第三条加强筋厚度对阀体最大应力的影响所占的比重最大；其次为第二条加强 筋厚度和第二、三条加强筋大圆半径：第一条加强筋的厚度和半径两个参数对阀 体最大等效应力的影响比重最小。 固d a _ f i ) 3 口d sf 9 2 圈d s _ r 3 d s _ i t 2 一b _ f d l 国d s _ r l 图42 设计参数灵敏度分析图 4 222 参数对目标函数的影响 ( 1 ) 单参数分别对目标函数的影响 设计变量d sf d l 接近l l m m 时， 应力减小很快。如图4 3 所示。 设计变量d s ，在优化范田内_f1)2 如图4 4 所示。 阀体最大等效应力最大，当偏离这个值时 值逐渐增大时阀体最大等效应力逐渐减小 大口径闸阀阀体加筋结构优化与疲劳分析 逞 j i 薹 葺 罩 要 鲫1 m r a s _ j r d 2 m r 图4 3d s _ f d l 对阀体等效应力的影响图图4 4d s d 2 对阀体等效应力的影响图 设计变量d s f d 3 接近1 5 3 m m 时，阀体最大等效应力最小，当偏离这个值时， 应力上升很快。如图4 5 所示。 设计变量d s r 1 接近3 0 5 m m 时，阀体最大等效应力最大，当偏离这个值时， 应力减小很快。如图4 6 所示。 图4 5d s _ f d 3 对阀体等效应力的影晌图 设计变量d sr 2 接近1 2 8 0 m m 时， 应力减小很快。如图4 7 所示。 设计变量d s r 3 接近1 2 4 5 m m 时， 应力减小很快。如图4 8 所示。 出i - r i 栖 图4 6d s _ r 1 对阀体等效应力的影响图 阀体最大等效应力最大，当偏离这个值时， 阀体最大等效应力最大，当偏离这个值时， ! ，一1 ； 广 ； ； ； | i ； | 1 l j l 暑，i 盈暑， i 2 3 1 3 1 2 4 e 3 1 2 5 b 3 i 糯，1 2 7 1 3 由一l t 3 n , _ 图4 7d s _ r 2 对阀体等效应力的影响图图4 8d s _ r 3 对阀体等效应力的影响图 ( 2 ) 参数组合对目标函数的影响 以上是单个参数对阀体最大等效应力的影响，下面是两个组合参数对阀体最 大等效应力的影响即应力强度设计空间。 运行