天然氣平板閘閥的有限元應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

何家勝，胡潔文，魏 衛(wèi)，李 超，王彥馨，肖 嵩，邵小蘭,聶隆梅

(1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市天然氣有限公司，湖北 武漢 430022)/

0 引 言

武漢市天然氣有限公司發(fā)現(xiàn)某處天然氣管線的平板閘閥發(fā)生了泄露.為了找出泄露的原因，從地底挖出該平板閘閥，平板閘閥埋于地下的情形如圖1所示.將挖出的閘閥放置在平地上進(jìn)行觀察，可發(fā)現(xiàn)閘閥出現(xiàn)了彎曲變形，如圖2所示.對(duì)閘閥進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)閘閥閥體兩凸臺(tái)處有明顯的裂紋，如圖3所示.將該閘閥閥體含裂紋的凸臺(tái)處切割下來，發(fā)現(xiàn)有一處裂紋已經(jīng)從外到里穿透了閥體壁厚，如圖4所示.

圖1 閘閥的工作環(huán)境Fig.1 The working environment of plate valve

為了分析閘閥出現(xiàn)裂紋的原因，有必要對(duì)閘閥進(jìn)行應(yīng)力分析.由于用解析法無法得到閘閥在工作條件[1-4]下的應(yīng)力分布,采用有限元方法對(duì)閘閥在多種邊界條件下的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，并對(duì)閘閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn).

圖2 出現(xiàn)彎曲的平板閘閥Fig.2 The curved plate valve

圖3 凸臺(tái)處有裂紋的平板閘閥Fig.3 The crack on the boss of plate valve

圖4 閘閥上穿透的裂紋Fig.4 A penetrated crack on Plate Valve

1 平板閘閥的有限元建模

有限元法是將實(shí)際結(jié)構(gòu)(求解域)看作由許多小的在節(jié)點(diǎn)處相互連接的單元(子域)所構(gòu)成，這些單元能被分割成各種形狀和尺寸.本文運(yùn)用三維軟件Solid Works對(duì)閘閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，再將幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS的仿真平臺(tái)Workbench建立有限元分析模型，最后計(jì)算出閘閥在特定的邊界條件下的應(yīng)力分布.

1.1 平板閘閥有限元模型的建立

圖5 平板閘閥結(jié)構(gòu)尺寸平面圖Fig.5 The structure size of Plate Valve

圖6 閘閥的1/2幾何模型Fig.6 The 1/2 geometric model of Plate Valve

表1 平板閘閥材料參數(shù)

圖7 閘閥幾何模型導(dǎo)入Workbench中Fig.7 The geometric model of Plate Valve inputted in Workbench

利用Workbench 自動(dòng)劃分網(wǎng)格的功能，將閘閥的幾何模型轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢拊治瞿Ｐ?又利用Workbench細(xì)化網(wǎng)格的功能，將閘閥的凸臺(tái)處劃成更細(xì)小的單元，如圖8所示，這樣可使閘閥應(yīng)力計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確.

圖8 閘閥有限元模型Fig.8 The finite element model of Plate Valve

1.2 閘閥有限元分析的邊界條件

觀察和分析天然氣管線平板閘閥的工作環(huán)境，由于平板閘閥埋于地下，其外部受到堆土壓力的作用.閘閥與天然氣管線連接，閘閥內(nèi)部與天然氣管線內(nèi)部受到同樣大小的介質(zhì)壓力.根據(jù)圖1及圖2中閘閥的工作環(huán)境及彎曲變形情況，可建立該閘閥在地下受到的堆土作用力和天然氣內(nèi)壓作用的力學(xué)模型[13-16].平板閘閥的邊界條件示意圖如圖9所示.

圖9 平板閘閥邊界條件示意圖Fig.9 Schematic diagram of Plate Valve underboundary conditions

根據(jù)閘閥彎曲情況，可將閘閥某側(cè)受堆土的作用模擬為閘閥產(chǎn)生了側(cè)向位移.

有限元分析中的邊界條件為(見圖9)：

位移邊界條件：天然氣管線遠(yuǎn)端為固定；閘閥對(duì)稱面上為對(duì)稱約束，即δx=0；閘閥對(duì)稱面上施加側(cè)向位移δy.

載荷邊界條件：閘閥及天然氣管線內(nèi)部壓力為0.4 MPa.

分別在閘閥對(duì)稱面上施加三種側(cè)向位移：δy=5 mm；δy=10 mm；δy=15 mm.

將邊界條件施加在閘閥有限元分析模型上，可得到閘閥的應(yīng)力分布.

2 閘閥有限元法計(jì)算結(jié)果

通過有限元法計(jì)算，得出了閘閥在三個(gè)不同的側(cè)向位移邊界條件下的應(yīng)力分布，其結(jié)果如表2所示.

表2 平板閘閥在三種側(cè)向位移邊界條件下的應(yīng)力分布Fig.2 The Stress distribution of Plate Valve on three different lateral displacement boundary conditions

表2中，應(yīng)力分布圖左側(cè)的矩形彩色圖譜代表不同的應(yīng)力值.閘閥結(jié)構(gòu)上不同的色彩對(duì)應(yīng)矩形彩色圖譜，可知閘閥各部位的應(yīng)力值大小.

從表2可知，閘閥在三種側(cè)向位移邊界條件下的整體應(yīng)力分布是相似的，它們的最大應(yīng)力值隨側(cè)向位移的增大而增大.側(cè)向位移δy=5 mm時(shí)，閘閥最大應(yīng)力值為158.65 MPa；最大應(yīng)力在閘閥凸臺(tái)處.側(cè)向位移δy=10 mm時(shí)，閘閥最大應(yīng)力值為301.79 MPa；最大應(yīng)力在閘閥凸臺(tái)處.側(cè)向位移δy=15 mm時(shí)，閘閥最大應(yīng)力值為444.94 MPa；最大應(yīng)力在閘閥凸臺(tái)處.

3 閘閥的優(yōu)化

由上面閘閥的應(yīng)力分析可知，閘閥在工作環(huán)境下總是在凸臺(tái)處出現(xiàn)最大應(yīng)力，這是造成凸臺(tái)處出現(xiàn)裂紋的原因之一.為了能盡量緩解閘閥此處的應(yīng)力集中，將閘閥的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)改為加強(qiáng)圈，改進(jìn)后的閘閥三維結(jié)構(gòu)如圖10所示.

對(duì)改進(jìn)后的閘閥施加與原平板閘閥一樣的邊界條件，進(jìn)行有限元分析.改進(jìn)后的閘閥的有限元計(jì)算結(jié)果如表3所示.

圖10 加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的閘閥Fig.10 Plate Valve with stiffening ring

側(cè)向位移閘閥整體應(yīng)力分布閘閥局部應(yīng)力分布δy=5mmδy=10mmδy=15mm

表3中，加強(qiáng)圈閘閥的三種應(yīng)力分布相似，最大應(yīng)力值分別為：側(cè)向位移δy=5 mm時(shí)的最大應(yīng)力值為100.6 MPa；側(cè)向位移δy=10 mm時(shí)的最大應(yīng)力值為190.47 MPa；側(cè)向位移δy=15 mm時(shí)的最大應(yīng)力值為280.39 MPa.

原閘閥與改進(jìn)后的閘閥的有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表4所示.在邊界條件相同的情況下，改進(jìn)后的閘閥的最大應(yīng)力值比原閘閥降低了37%左右；而且也解決了原來閘閥凸臺(tái)處的應(yīng)力集中問題.

表4 凸臺(tái)閘閥與加強(qiáng)圈閘閥的最大應(yīng)力值比較Table 4 The compare of the maximum stress value between Plate Valve with boss and Plate Valve with stiffening ring

4 結(jié) 語

通過運(yùn)用有限元法，計(jì)算出了閘閥多種邊界條件下的應(yīng)力分布.由計(jì)算的結(jié)果可知，平板閘閥在凸臺(tái)處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，可導(dǎo)致該處裂紋的產(chǎn)生.

為了解決凸臺(tái)引起的應(yīng)力集中問題，對(duì)閘閥進(jìn)行了改進(jìn)，將凸臺(tái)改為加強(qiáng)圈，改進(jìn)的加強(qiáng)圈使得閘閥最大應(yīng)力值在同樣的邊界條件下下降了37%左右.閘閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)于閘閥安全使用有重要作用.

致 謝

在論文前期調(diào)研取樣工作中，武漢市天然氣公司領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)人員給予了大力幫助和支持；在論文后期分析計(jì)算工作中，武漢工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院結(jié)構(gòu)仿真及失效分析實(shí)驗(yàn)室的吳其、羅歡、魏玉婷、周波同學(xué)的積極參與和付出，在此一并表示衷心的感謝！

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