截止閥固有頻率優(yōu)化設(shè)計以及振動特性分析

張陳晨　成泰洪　鄭育　王貴?！§蹲砍?/p>

摘要：截止閥是最重要的截斷類閥門之一，也是管道系統(tǒng)中最常見的閥門之一。因此，科學(xué)和系統(tǒng)的設(shè)計截止閥的固有頻率以及抗震性能對截止閥的安全運行有著重要的意義。本文通過建立截止閥的有限元模型求出了截止閥的低階固有頻率。其次，利用了PROE三維建模軟件實現(xiàn)了對截止閥的參數(shù)化模型的建立，并通過與ANSYS DM建立了參數(shù)關(guān)聯(lián)模型。基于參數(shù)關(guān)聯(lián)模型對截止閥的一階共振頻率進行了優(yōu)化設(shè)計，并分析了截止閥在頻域內(nèi)的響應(yīng)。結(jié)果顯示最低固有頻率大于地震頻率范圍，在固有頻率附近的頻域內(nèi)的加速度響應(yīng)顯示最大應(yīng)力和最大位移均在合理范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：截止閥；振動特性；固有頻率；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）11-0280-03

1 閥門的振動分析研究現(xiàn)狀

振動是引起設(shè)備破壞的一個重要原因，很大程度上影響著設(shè)備的安全和穩(wěn)定運行。研究振動的目的是查看設(shè)備的健康狀況，往往被作為設(shè)備安全評估的一個指標(biāo)。

近幾年，還能多學(xué)者通過CAD/CAE的方法結(jié)合理論分析展開了有關(guān)閥門振動方面的研究。劉文斌[1] 通過采用數(shù)值仿真與實驗測量兩種方法，對水管路系統(tǒng)典型蝶閥的內(nèi)流場分布、結(jié)構(gòu)振動及噪聲情況進行研究，以期獲得閥門振動噪聲研究方法及蝶閥振動噪聲特性。鄧君[2] 從多個方面分析了閥門振動和噪聲產(chǎn)生的主要原因，并從設(shè)計、加工、閥門選用以及配套設(shè)備布置等方面提出了預(yù)防和減弱閥門振動噪聲的措施。嚴(yán)根華[3]等根據(jù)基于超越機制的結(jié)構(gòu)動力可靠性公式，給出了適合于計算通航船閘閥門流激振動動力可靠度的表達式。曹文斌[4]結(jié)合CFD的方法分析了閥門的氣動載荷，進而在該載荷作用下進一步分析閥門振動沖擊損傷，探究其發(fā)生異常現(xiàn)象的機理。

本文以截止閥為研究對象，對其進行有限元建模和模態(tài)分析，并優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)。然后分析優(yōu)化后的參數(shù)對外部激勵的影響。

2 截止閥閥蓋與閥體的參數(shù)化模型建立

本文首先通過ProE中的參數(shù)化模型的建立方法完成了截止閥閥蓋的參數(shù)化幾何模型。圖1表示ProE軟件中的參數(shù)設(shè)置界面。本文對截止閥閥蓋支撐部分的厚度和曲率半徑進行了參數(shù)化處理。圖2表示截止閥閥蓋的幾何模型以及參數(shù)設(shè)置示意圖。

按照同樣的方法對截止閥閥體也進行了參數(shù)化模型的建立，主要是對閥體的加強筋厚度和寬度進行了參數(shù)化建模。最終，考慮到計算時間較長本文中只考慮了閥蓋的加強筋厚度和閥體的加強筋厚度的變化。圖3表示截止閥閥體的參數(shù)化幾何模型。

3 基于ANSYS的參數(shù)化模型導(dǎo)入與關(guān)鍵參數(shù)提取

在Proe中打開Workbench，雙擊Workbench中的Geometry，打開DM。然后，再單擊generate，此時模型成功導(dǎo)入Workbench，可實現(xiàn)將ProE參數(shù)化模型導(dǎo)入ANSYS中。圖4表示PROE—ANSYS參數(shù)關(guān)聯(lián)耦合示意圖。圖5表示截止閥參數(shù)化有限元模型。其中DS_B2為截止閥閥體的加強筋厚度參數(shù)，DS_B為截止閥閥蓋的加強筋厚度參數(shù)。圖中可以看出在ProE中設(shè)置的參數(shù)化模型已經(jīng)成功導(dǎo)入到ANSYS中為進一步的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)。

4 閥門的模態(tài)分析

有限元模型是進行有限元分析的數(shù)學(xué)模型， 模型的形式會直接影響計算精度、計算時間、所需內(nèi)外存大小及計算過程能否完成。

有限元模型的建立可以分為以下幾個步驟：

1）建立研究對象的近似模型。因為必須考慮該模型是否能生成有限元網(wǎng)格，所以這里我們簡化一部分結(jié)構(gòu)，比如說倒角，圓角。

2）生成網(wǎng)格

基于ANSYS有限元網(wǎng)格劃分的方法分為以下幾種：自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分、掃掠網(wǎng)格劃分以及混合網(wǎng)格劃分?？紤]到這里我們分析閥體的固有特性，網(wǎng)格劃分要均勻，且筆者的電腦配置不高，希望計算量小，計算時間短，因而讓ANSYS15.0自動劃分網(wǎng)格，結(jié)果如下圖所示。

3）定義材料

工程的每個部件都是由特定材料制成的，材料定義不同，所得到的結(jié)構(gòu)也會不同。這里我們根據(jù)實際情況一一定義，其中材料庫里找不到的材料，用系統(tǒng)默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼代替。

4）定義載荷和邊界條件

不同的載荷和邊界條件，所得出的結(jié)論都會有很大的區(qū)別。邊界條件在微分方程求解中是為了限定變量值，最終得出求解結(jié)果。對于截止閥，我們需要將其兩邊的螺栓孔用ANSYS中的“fixed support”固定。因為分析的是固有頻率，是模型的一種固有特性，故不用加其他載荷。

Block Lanczos 法可以在大多數(shù)場合中使用，提取速度快，是一種系統(tǒng)默認(rèn)的方法，可以很好地處理剛體振型，本文采用這種提取方法。

5）計算結(jié)果

本論文研究中將截止閥的第一階固有頻率設(shè)為了優(yōu)化目標(biāo)，在計算完成后發(fā)現(xiàn)當(dāng)閥蓋的加強筋厚度為57，閥體的加強筋厚度為12時其一屆固有頻率為90.944接近目標(biāo)值。表一為優(yōu)化設(shè)計后的前5階固有頻率值。

振型圖如圖所示，根據(jù)動畫效果，我們可以了解到不同頻率的變形情況：

第1階頻率時：整個結(jié)構(gòu)以螺栓結(jié)合面的中心為軸心，閥蓋以上的部分沿X軸方向來回擺動；第2階頻率時：整個結(jié)構(gòu)以螺栓結(jié)合面的中心為軸心，閥蓋以上的部分沿Y軸方向來回擺動；第3階頻率時：閥蓋以上部分以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，來回旋轉(zhuǎn)。并且手輪變形嚴(yán)重；第4階頻率時，閥蓋以上部分既沿Y軸方向來回擺動，同時又在YZ平面上上下波動；第5階頻率時，閥蓋以上部分既沿X軸方向來回擺動，同時又在XZ平面上上下波動，而且閥體部分也開始輕微的變形；從以上分析可知，截止閥振動的時候前四階固有頻率均大于90Hz，并且其振動主要發(fā)生在截止閥的手柄和閥蓋部分，從5階振動開始閥體部分才開始產(chǎn)生形變。

5 加速度響應(yīng)分析

模態(tài)分析可以求解各部位的相對振動情況，能夠求出截止閥的固有特性。但在外界激勵下，各部位的振動情況與截止閥的固有特性有所不同。所以對截止閥進行諧響應(yīng)分析以了解其在動態(tài)干擾激勵下結(jié)構(gòu)的抗振性能。前面，我們已初步求解出截止閥的固有頻率。一般我們考慮前三階的共振影響，從截止閥的十階固有頻率表我們可知截止閥前十階的固有頻率，所以我們?nèi)☆l率為0～150 HZ下的諧響應(yīng)，步長為1HZ。從截止閥的十階振型圖中可知，手柄的變形最為嚴(yán)重，所以我們將手柄作為形變研究對象，來分析其在0～150HZ下的位移的情況。當(dāng)分析應(yīng)力時，閥體加強筋處所受應(yīng)力最大，故將閥體加強筋作為受力分析對象。求解之前，還需添加一定的約束。在這里，我們將閥體兩邊的孔固定。表2，3表示不同加速度激勵下手柄和閥體加強筋部分的最大應(yīng)力值的變化情況。表中可以看出當(dāng)加速度值增大的時候各個方向的應(yīng)力值逐漸增大，但在安全范圍之內(nèi)，小于其屈服強度。

6 結(jié)論

本文通過建立截止閥的參數(shù)化有限元模型對截止閥的一階固有頻率進行了優(yōu)化，并求出了截止閥的前5階固有頻率以及固有陣形。首先，利用了PROE三維建模軟件實現(xiàn)了對截止閥的參數(shù)化模型的建立，并通過與ANSYS DM建立了參數(shù)關(guān)聯(lián)模型?；趨?shù)關(guān)聯(lián)模型對截止閥的一階共振頻率進行了優(yōu)化設(shè)計，并分析了截止閥在頻域內(nèi)的加速度響應(yīng)。結(jié)果顯示最低固有頻率值為90.944Hz遠大于地震頻率范圍，最大加速度響應(yīng)下的應(yīng)力值在合理安全范圍之內(nèi)。

參考文獻：

[1] 劉文彬. 水管路系統(tǒng)閥門流固耦合振動噪聲特性研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)，2011（11）.

[2] 鄧君.閥門振動噪聲分析與預(yù)防措施[J].機電信息，2015（27）：144-145.

[3] 嚴(yán)根華，閻詩武，駱少澤，陳發(fā)展.高水頭船閘閥門振動動力可靠度研究[J].振動，測試與診斷，1996（2）：36-43.

[4] 曹文斌，劉靖華，張錦.基于流固耦合效應(yīng)的氣動閥門振動沖擊分析[J].中國力學(xué)大會，2015：156.