基于閥門設(shè)計(jì)的應(yīng)力集中分析

周云忠 柴為民

摘要：閥門設(shè)計(jì)中涉及到的應(yīng)力集中問(wèn)題，是影響閥門產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的重要因素，因此對(duì)于應(yīng)力集中問(wèn)題的相關(guān)研究也日漸增多。應(yīng)力集中指的是物體受到外力條件的影響下，產(chǎn)生幾何形狀和外形尺寸的突變，進(jìn)而引起局部范圍內(nèi)的應(yīng)力顯著增加的現(xiàn)象，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，大多在物體的尖角位置、缺口位置以及其他具有剛性約束的位置。應(yīng)力集中現(xiàn)象也是閥門產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，如何通過(guò)科學(xué)的計(jì)算，加強(qiáng)對(duì)閥門應(yīng)力集中的科學(xué)計(jì)算，從而獲得理想的計(jì)算結(jié)果，將其應(yīng)用到閥門設(shè)計(jì)中，提高閥門設(shè)計(jì)的效率，是當(dāng)前面臨的重要問(wèn)題。本文就主要針對(duì)閥門設(shè)計(jì)的應(yīng)力集中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。

關(guān)鍵詞：閥門設(shè)計(jì) 應(yīng)力集中 局部細(xì)化法

應(yīng)力集中是閥門設(shè)計(jì)中一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算，掌握應(yīng)力集中的數(shù)據(jù)信息，對(duì)于優(yōu)化閥門產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。同時(shí)，應(yīng)力集中對(duì)于閥門產(chǎn)品的使用壽命也有著較大的影響，通常情況下，閥門結(jié)構(gòu)的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力集中有著很強(qiáng)的敏感性，而以往的計(jì)算方法中，大多是在常規(guī)靜力學(xué)的分析中獲得的結(jié)果，這種狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果在閥門產(chǎn)品的疲勞預(yù)測(cè)中，卻存在著較大的誤差，因此，為了獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須要采用科學(xué)的應(yīng)力集中計(jì)算方法，文章就針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.應(yīng)力集中分析方法

1.1局部細(xì)化法

局部細(xì)化法是進(jìn)行應(yīng)力集中分析的常用方法，其在模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問(wèn)題上，準(zhǔn)確性較高。局部細(xì)化法指的是對(duì)整個(gè)模擬區(qū)域進(jìn)行劃分，形成多個(gè)網(wǎng)格形式，然后再針對(duì)其中應(yīng)力梯度變化較大的單元或者是區(qū)域，進(jìn)行重點(diǎn)加密。在實(shí)際的操作中，可以將網(wǎng)格中的某個(gè)點(diǎn)為中心，對(duì)其周圍的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化加密，以此實(shí)現(xiàn)單元或者區(qū)域的加密。

1.2子模型方法

在應(yīng)用局部細(xì)化法的應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)一種現(xiàn)象，某些單元的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格密度不夠，但是其他的部位網(wǎng)格密度已經(jīng)足夠，在這種情況下，對(duì)于用戶比較關(guān)心的區(qū)域，就很難保證應(yīng)力集中分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，無(wú)法到用戶的需求，這里就需要應(yīng)用子模型技術(shù)。子模型技術(shù)主要是針對(duì)已經(jīng)獲得的區(qū)域內(nèi)的單元進(jìn)行更加細(xì)化的單元分割，從而獲得更精確的數(shù)據(jù)。子模型技術(shù)需要將應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行切割，而切割的邊界就是整個(gè)模型區(qū)域的分割邊界，整體模型的切割邊界能夠?yàn)樽幽Ｐ瓦吔绲拇_定提供依據(jù)和參考。子模型方法以圣維南原理為根本的理論依據(jù)，如果模型的負(fù)荷經(jīng)過(guò)切割而分布在不同的區(qū)域時(shí)，應(yīng)力的變化在荷載施加部位的邊緣發(fā)生變化，而其他區(qū)域上的應(yīng)力不會(huì)發(fā)生較大的變化。因此，應(yīng)用子模型技術(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)與應(yīng)力集中的位置存在一定的距離，才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3自適應(yīng)網(wǎng)格劃分

自適應(yīng)網(wǎng)格方法主要是針對(duì)某些應(yīng)力變化較為顯著的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)應(yīng)力變化引起的變形和波動(dòng)，對(duì)誤差進(jìn)行估計(jì)，從而自動(dòng)判斷網(wǎng)格的分布密度是否科學(xué)，為網(wǎng)格分布提供必要的依據(jù)。如果判斷結(jié)果說(shuō)明網(wǎng)格密度不夠，則程序?qū)⒆詣?dòng)將網(wǎng)格密度升級(jí)，以此減少誤差。網(wǎng)格在不斷的調(diào)整過(guò)程中逐漸細(xì)化，達(dá)到網(wǎng)格分布點(diǎn)與物理解的耦合，便可以通過(guò)求解的過(guò)程將誤差降到最低，最大限度的保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.閥門設(shè)計(jì)的引應(yīng)力集中方法應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際的閥門設(shè)計(jì)工作中，選擇正確的應(yīng)力集中分析方法，能夠有效的促進(jìn)應(yīng)力集中分析的準(zhǔn)確性。文章以某閘閥為例，對(duì)三種不同應(yīng)力集中分析方法的應(yīng)用過(guò)程和效果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中閘閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用三維實(shí)體軟件PRO/E建立分析模型，同時(shí)建立PRO/E與ANSYS之間的無(wú)縫連接，以此實(shí)現(xiàn)有限元分析模型的建立。閘閥模型如圖1所示。

圖1 閘閥模型

2.2閘閥模型的網(wǎng)格劃分

為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)劃分，這里應(yīng)用帶有中間節(jié)點(diǎn)的二階單元實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的劃分。在二階單元中包含多個(gè)四面體單元，這些單元結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的擬合功能，能夠在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)不同單元之間的有效連接，也能夠促進(jìn)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的提高。在本次研究中，以結(jié)構(gòu)對(duì)稱性理論為基本的研究依據(jù)，對(duì)于閘閥模型進(jìn)行了全面的分析。模型荷載分布如圖2所示。

圖2 閘閥模型荷載分布

2.3閘閥應(yīng)力集中分析

根據(jù)網(wǎng)格細(xì)化法的應(yīng)用要求，對(duì)于該閘閥模型以20為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，子模型技術(shù)中應(yīng)用的粗糙模型尺寸也以20為標(biāo)準(zhǔn)，自適應(yīng)網(wǎng)格中最小的網(wǎng)格單元是10，最大的迭代設(shè)置為100，結(jié)構(gòu)誤差為5%。通過(guò)三種不同的網(wǎng)格劃分和分析方法，獲得三組應(yīng)力效應(yīng)數(shù)據(jù)，分別為286、271、273。由此可以看出，利用網(wǎng)格細(xì)化法獲得模擬效果最好，而另外兩種方法在模擬和網(wǎng)格劃分方面都相對(duì)較為繁瑣，而且在模擬結(jié)果方面也存在不同程度的誤差。

3.應(yīng)力集中準(zhǔn)確性對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響

閥門應(yīng)力集中的分析結(jié)果對(duì)于閥門設(shè)計(jì)的可靠性有著重要的影響，應(yīng)力集中分析結(jié)果能夠?yàn)殚y門設(shè)計(jì)和制造提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)，不僅能夠促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)性，同時(shí)也能保證閥體的最佳性能，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。在實(shí)際的應(yīng)力集中分析過(guò)程中，需要根據(jù)閥門的不同使用要求，對(duì)于應(yīng)力集中分布的特點(diǎn)進(jìn)行分辨，才能保證應(yīng)力集中分析結(jié)果的可靠性，從而促進(jìn)閥門設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的分析可以看出，在相同的條件下，利用局部細(xì)化法能夠更加全面的模擬出閥體應(yīng)力集中的實(shí)際情況。同時(shí)，利用這種方法也能夠?qū)⑻荻茸兓^大的其他問(wèn)題進(jìn)行很好的模擬，并且獲得較為理想的效果。在實(shí)際的操作過(guò)程中，局部細(xì)化法的操作很簡(jiǎn)便，只需要對(duì)梯度變化較大的節(jié)點(diǎn)和單元進(jìn)行加密操作便能實(shí)現(xiàn)模擬過(guò)程。如果加密的結(jié)果達(dá)不到理想的要求，可以提高加密的等級(jí)，直到合格為止。綜上所述，對(duì)于閥門設(shè)計(jì)的應(yīng)力集中問(wèn)題的研究，應(yīng)用局部細(xì)化法能夠達(dá)到理想的效果。

5.參考文獻(xiàn)

[1]翟霄.閥體的應(yīng)力分類與強(qiáng)度評(píng)定[D].蘭州理工大學(xué),2010.

[2]余龍,俞樹(shù)榮,李淑欣.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在閥門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].閥門,2008(02)

[3]李勇.閥門三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[D].四川大學(xué),2002.

[4]彭廷紅,潘柏松,姚進(jìn),何劍靈.基于知識(shí)的閥門快速設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(05)

[5]韓斐,宋筆鋒,喻天翔,崔衛(wèi)民.閥門可靠性技術(shù)研究現(xiàn)狀和展望[J].機(jī)床與液壓,2008(09)