关 键 词：

ZSFZ 报警阀 设计 CAD

资源描述：

ZSFZ湿式报警阀的设计含5张CAD图,ZSFZ,报警阀,设计,CAD

内容简介：

工艺与设备高参数发电机组闸阀阀体有限元分析石 艳1 ,2郑民训1肖泽仪2(1.四川理工学院机电工程系,自贡,643000 ;2.四川大学化学工程学院化工过程机械系,成都,518031)摘 要 建立高参数、 大口径的火力发电机组闸阀阀体的参数化实体模型,仿真了不同的理想情况下阀体工作时的变形,并用数学方法拟合其位移边界,获得与工程实际较为接近的阀门的位移边界条件;在有限元计算工具的帮助下,模拟其实际变形,计算了阀体的应力场,为闸阀的强度设计提供了有效数据。关键词:高参数闸阀参数化设计有限元分析1前言在工程中,提高循环蒸汽参数是提高常规火电厂效率的有效途径之一,高参数意味着介质压力和温度的提高,流量加大,这样的运行工况对电站阀门的强度和寿命提出了更高的要求。在传统阀门设计中,由于计算方法的限制,只能根据力学中提供的一些经验公式进行估算,这种方法不能全面反映阀门的受力情况,也不能给设计人员指出阀门的薄弱环节和改进方向。随着计算机技术的发展,有限元分析(FEA)方法用来解决工程实际问题的优越性越来越显著,大量的优秀软件作为重要的计算和仿真工具为我们提供了平台。本文即采用ANSYS作为工具,对高压、 大口径的电站闸阀阀体,用数学、 力学理论结合有限元计算结果,科学可靠地解决其力学问题。2建立闸阀阀体实体模型有限元中建立模型主要是指模型节点和单元的几何造型。ANSYS软件提供了多种建模法,本文采用输入计算机辅助设计(CAD)系统创建实体模型,该法相对处理的数据较少,支持面、 体和布尔运算,支持多种网格划分方法,对复杂模型的建立和后续应用优点突出。利用有限元法求解的的第一步是建立合理的模型。通过对阀体结构和受载情况的分析,在外力作用下阀体的变形和受力都不能被简化为近似的平面问题或轴对称问题,而且阀体内部结构复杂,几何形状有突变,必须以三维问题求解,才能得到比较准确的结果。阀体模型的建立除忽略不相关的微小几何特征(均在远离结构突变的区域) ,其它形状和尺寸均与实物一致。由于本次分析涉及较多结构类似模型,为了避免多次重复建模,采用可实现参数驱动的CAD软件proeWildfire完成系列闸阀阀体的三维实体建模(图1)。阀体的物理形状、 材料、 载荷等都具有对称性,而且为了在有限元分析中将阀体内腔暴露出来便于后续的加载,将研究对象沿对称面截取一半,同时模型规模减少一倍(图2) ,在相同的计算机硬件容量条件下,可将单元划分的更小,使计算结果更精确。图1阀体三维CAD模型64四川化工 第11卷 2008年第2期图2阀体1/ 2平面对称性模型3闸阀阀体的有限元法分析用有限元法进行结构分析的基本思想是:将一个连续问题的求解域离散为有限个单元,单元之间仅靠节点连接,单元形状简单,易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式,然后将各个单元方程组集在一起而形成总体代数方程组,计入边界条件后进行求解。311有限元模型的建立31111 单元和插值函数的选取选择合适的单元类型将实体模型离散后,实体模型就变为可进行计算的有限元模型,也就是网格划分过程。这一过程直接关系到最终计算结果的准确形,因此,单元和单元内插值函数的选取至关重要。通过对ANSYS提供的单元详细了解,结合闸阀阀体的结构和受力情况,选取了Solid186作为阀体结构分析的单元,单元几何形状、 节点位置和坐标系见图3。该单元是一个高阶3维固体结构单元,单元特性如下:单元每个节点有3个位移分量u、v、w ,即i = uiviwiT单元的节点位移向量为:e= u1v1w1u20v20w20T单元的自由度为60 ,位移函数选取完整到二阶的四次多项式,写成形函数的线性组合形式:u =20i =1Ni(,) uiv =20i =1Ni(,) viw =20i =1Ni(,) wiNi=18(1+i) (1+1) (1+1) (1+1+1-2)(i =1,2,8)Ni=14(1-2) (1+1) (1+1)(i =9,11,13,15)Ni=14(1-2) (1+) (1+1)(i =10,12,14,16)Ni=14(1-2) (1+) (1+1)(i =17,18,19,20)式中:Ni为单元的形函数,i、i、i为节点坐标从单元的特性和位移模式可见,该单元由20个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度,具有任意的空间各向异性,能很好的模拟不规则的网格和复杂的边界条件,适合本文阀体的复杂结构和采用其它CAD系统建立的模型。图3Solid186单元31112 网格划分为了获得满意的划分效果,首先将整个阀体分区以便采用了不同的划分方法。将阀体A (图4)部分由于结构突变多,形状不规则,难以手工控制,因此采用智能尺寸网格划分器划分自由网格。设定智能尺寸后,由网格划分器对阀体A上的所有线估算单元边长大小,对弯曲近似区域的线进行细化,自动生成合理形状的单元和单元尺寸分布。在应力梯度大的区域如形状有突变地方的单元再实行细化。阀体B、 进口管和出口管(图5)的结构具有轴对称,而且形状较规则,因此可采用人工控制单元尺寸后以扫略方式划分网格。这样的化分既使得单元易于控制,又保证了单元的疏密与场的分布吻合,最终划分结果见图6。312位移边界条件的计算边界条件是解的唯一性条件,对它的模拟合理与否直接影响解的准确性。阀门的边界焊接在管道上,由于材料、 结构形状等因素的影响,使得阀门受载后不74第2期 高参数发电机组闸阀阀体有限元分析图6 有限元模型能自由的变形,必须在进出口端与管道保持良好的变形协调条件。这样的边界难以用解析法确定,作试验测量也难实现,因此采用试算法来估计边界条件。为了确定阀体进出管两端的位移边界条件,根据Saint2Venant原理,采用加长模型(见图7)在不同情况下的变形来估算进出口端的位移边界条件。图7 计算位移边界条件有限元模型(1)阀体端部(上部)固定,进出口端(左右)自由,加载(介质压力与重力) ,计算阀体在左右端的自由位移:i1= uiviwiT式中:i =1为进口端;i =2为出口端;i =3为阀体端部,以下同。(2)左端固定、 阀体端部固定,出口端自由,计算阀体在右端的自由位移:i2。(3)右端固定、 阀体端部固定,进口端自由,计算阀体在左端的自由位移:i3。(4)左端固定、 阀体端部自由,出口端自由,计算阀体在右端的自由位移:i4。(5)右端固定、 阀体端部固定,进口端自由,计算阀体在左端的自由位移:i5。阀体左右端真实的变形处于边界固定和边界自由两种极端情况之间,以上的计算的分别是理想约束情况下的位移,对极端情况下的位移取平均差后以均值的1/ 2作为真实的位移,按比例映射到两侧作为阀体进出口边缘的位移边界条件:i = uiviwiT。313加载并计算在有限元模型上加载荷和位移边界条件,模拟阀体焊接在管道上受高压流体作用的变形情况,采用稀疏阵直接求解器求解。计算输出的应力及其分布结果见图8。图8 阀体应力等值线图从模型的应力强度(SIN T =1-2)等值线分布图可见:整个阀体的应力等值线是光滑的曲线,无尖角和大的转折处,说明单元的划分比较理想;阀体的受力危险处在进出口管内侧分型面附近和阀体底部倒圆角处,这些区域刚好是处于结构的不连续和形状有突变的地方,与实际过程中的失效区域相吻合,说明边界条件的估算值比较接近真实值,计算结果有工程意义。4危险区域的应力分析由弹性应力分析求得的各类名义应力对结构破坏的危险性是不同的。根据等安全裕度原则,危险性较小的应力可以比危险性较大的应力取更高的许用应力强度值。由弹性力学求解出的是组合应力,即设计者在完成应力计算后,必须要分解成一次应力、 二次应力和峰值应力,每类应力对应不同的失效机制,服从于不同的极限值。应力分类方法有弹性补偿法、 静力等效原理和应力线性化原理等,本文采用应力线性化原理进行应力的分类。应力线性化计算器内嵌于ANSYS的后处理器中,它首先要求选取处理线上的两个端点,软件系统则在处理线上通过内插法自动生成47个插值点,并把有限元计算的六个应力分量值映射到处理线,然后运用公式进行应力分类计算。评定线应选取在危险区域,评定线的位置见图9。计算结果见表1。图9 阀体应力评定线84四川化工 第11卷 2008年第2期表1评定线应力分类结果评定线薄膜应力弯曲应力 薄膜+弯曲 峰值应力总应力1 - 113919551061941313138203142 - 216012761222341133188246113 - 315915123112801950179315194 - 414017100192401333101253125 - 597155681531651011175176106 - 614316931932331825108246167 - 715611130162821148122315178 - 81491910719254102015226115限定值115SM310SM310SM-评定结果通过通过通过-5 结论用CAD技术可以灵活的建立复杂的三维模型,结合有限元法能够求解许多无法用解析法或试验法解决的工程问题。对阀体的计算机仿真可以使设计人员全面直观的了解结构的应力分布和变形情况,使得高参数阀门的设计建立在更加科学合理的基础上,也符合ASME法规中应力分析方法的设计思想。位移边界条件的计算值对有限元分析结果影响较大,在文中的拟合过程是工程实际中的一种方法,应结合试验反复试算,用数学方法拟合为有应用价值的公式,这也是笔者下一步要进行的研究工作。参考文献1王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西安:西北工业大学出版社,20002龚曙光,罗显光. ANSYS基础应用及范例解析.北京:机械工业出版社,2003. 13王泽军.锅炉结构有限元分析.北京:化学工业出版社,2005.104 G. R.Liu ,S. S. Quek.有限元法适用教程.长沙:湖南大学出版社,2004. 106ASME Boiler and Pressure Vessel Code ,Section,Divisionl and27龚曙光,谢桂兰.压力容器分析设计中的应力分类力法.化工装备技术,2000 , 21(3) :27318王松汉.石油化工设计手册.北京:化学工业出版社,2000. 10Finite Element Analysis of gate valvesBody in high parameters generating setsS hi Yan1, Zheng Mingxun1, Xiao Zeyi2(1. Sichuan University of Science & Technology , Zigong643000, Sichuan, China;2. Departmentof Chemical Machinery and Control Engineering Sichuan University Chengou610065, Sichuan China)Abstract :Established the parametric solid model of gate valves body in high parameter generating sets.Simulating the deformation of valve s body in ideal working conditions and obtained the displacementboundary conditions which close to the actual engineering by using mathematic method. Utilizing finite ele2ment analysis to simulate the real deformation , obtained the stress field by stress analysis , which offers ef2fective datum for the mechanical design of valves body.Key words :high parameters ; gate valve ; parametric design ; finite element analysis巴斯夫上市耐冲击、 耐热性强的热可塑性工程塑料 德国巴斯夫(BASF)在热可塑性工程塑料 “UL2TRASONE” 系列中追加了新产品PolyphenylSul2fone ( PPSU)“UL TRASONEP” 。UL TRASONEP的特点是:兼具该系列中PolyetherSulfone (PESU)“UL TRASONEE” 的高熔融温度和PolySulfone(PSU)“UL TRASONES” 的