基于AWE的閥體強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(1.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176； 2.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100176)

RPB系統(tǒng)用角型調(diào)節(jié)閥LV2801，是一種用于非固定床加氫減壓系統(tǒng)加氫反應(yīng)器工藝流程的專用閥門(mén)，其通常位于高低壓分離器間，具有高壓差(20～25MPa(g))、高溫(450～550℃)、高含固(8%～50%)的多相流閃蒸使用工況，閥門(mén)的主要功能是控制上下游設(shè)備間的液位平衡，以確保工藝流程長(zhǎng)周期運(yùn)行。

裝置實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，其出入口閥門(mén)在惡劣工況下的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作是必備條件，使用壽命和免維護(hù)周期直接關(guān)系到反應(yīng)器乃至整個(gè)裝置的產(chǎn)能和產(chǎn)值，所以角型調(diào)節(jié)閥的可靠運(yùn)行是非常重要的。閥體作為角型調(diào)節(jié)閥的重要零件，其安全運(yùn)行是確保角型調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行的先決條件。由于角型調(diào)節(jié)閥閥體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，很難用理論公式對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，并且一般近似公式計(jì)算方法不能完整反映整個(gè)閥體應(yīng)力的分布情況[1]，不利于設(shè)計(jì)者對(duì)閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文對(duì)角型調(diào)節(jié)閥閥體進(jìn)行分析，以閥體集中應(yīng)力處的最大等效應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)[2]，結(jié)合閥體壁厚和閥體流道壁厚等參數(shù)進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]，對(duì)影響閥體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的參數(shù)采用一階優(yōu)化方法進(jìn)行有限元優(yōu)化計(jì)算。

1 閥體強(qiáng)度的有限元分析

1.1 閥體材料性能

角型調(diào)節(jié)閥閥體材質(zhì)為F347，材料的彈性模量E=195GPa，泊松比μ=0.27，屈服強(qiáng)度σs=205MPa(g)，抗拉強(qiáng)度σb=485MPa(g)，密度ρ=8 000kg/m3。

1.2 閥體模型

閥體通過(guò)在ANSYS Workbench中建立模型。由于閥體螺栓孔較多，為了節(jié)省時(shí)間為后面優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性分析做準(zhǔn)備，角型調(diào)節(jié)閥閥體模型簡(jiǎn)化后見(jiàn)圖1，對(duì)閥體網(wǎng)格的劃分見(jiàn)圖2，靜力結(jié)構(gòu)計(jì)算適用于ANSYS提供的三維模型四面體網(wǎng)格劃分，可獲得較好的計(jì)算精度，結(jié)構(gòu)分析采用二次四面體單元。

圖1 模型

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件和載荷

在出口端面法蘭施加固定約束，中法蘭端面Z方向施加約束，根據(jù)閥門(mén)API 598可知，公稱壓力為42MPa(g)，強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為63MPa(g)，壓力作用在內(nèi)表面，忽略中法蘭螺栓預(yù)緊力和閥體自重。

1.4 分析計(jì)算結(jié)果

在閥體強(qiáng)度試驗(yàn)壓力63MPa(g)的條件下，按照第四強(qiáng)度理論求得的閥體等效應(yīng)力見(jiàn)圖3，閥體最大等效應(yīng)力為232MPa(g)，材料屈服強(qiáng)度σs=205MPa(g)，最大等效應(yīng)力超出閥體材料屈服強(qiáng)度范圍。由于中法蘭方向閥體與流道方向的閥體相貫位置形狀發(fā)生突變，有明顯的應(yīng)力集中，將會(huì)降低閥門(mén)的使用壽命，因此，有必要從角型調(diào)節(jié)閥閥體的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的角度，對(duì)閥體壁厚尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少閥體的應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證閥體的強(qiáng)度。

圖3 閥體等效應(yīng)力分布云

2 閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 影響閥體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的參數(shù)

從角型調(diào)節(jié)閥閥體的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，由圖3的閥體等效應(yīng)力可知，閥體最大應(yīng)力位置在中法蘭方向，閥體與流道方向的閥體相貫位置，所以閥體壁厚及相貫位置的圓角均有較大的影響，對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖4，中法蘭處外徑P10 、閥體與流道連接位置壁厚P9和P11、流道處外徑P3以及閥體流道處圓角RP1和RP2作為優(yōu)化參數(shù)。因此，以下將對(duì)設(shè)計(jì)6個(gè)閥體強(qiáng)度有影響的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)作為優(yōu)化變量。設(shè)計(jì)變量見(jiàn)表1。

圖4 閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)

設(shè)計(jì)變量初始值/mm最小值/mm最大值/mmP115930P215930P3235200240P9200180210P10485460500P11200180210

2.2 閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了減少閥體應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使應(yīng)力分布更加均勻并滿足強(qiáng)度要求，將應(yīng)力集中處的最大等效應(yīng)力最小化作為優(yōu)化目標(biāo)[4]，閥體結(jié)構(gòu)的基本尺寸作為設(shè)計(jì)基本變量，對(duì)閥體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.1 靈敏度分析

對(duì)于閥體的優(yōu)化，通過(guò)靈敏度分布圖(見(jiàn)圖5)，可知每一個(gè)輸出參數(shù)與對(duì)應(yīng)輸入?yún)?shù)的靈敏度[5]。由靈敏度分析圖可知，閥體的P1、P9、P10和P11對(duì)整個(gè)閥體應(yīng)力的靈敏度影響較大，P10對(duì)閥體質(zhì)量的靈敏度影響較大。

圖5 靈敏度分布圖

2.2.2 參數(shù)對(duì)等效應(yīng)力的影響

在優(yōu)化模塊中得出響應(yīng)曲線圖，其中，P3對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖6，隨著流道外徑P3的增加，等效應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，在外徑P3為225mm時(shí)，等效應(yīng)力小于屈服應(yīng)力；P9對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖7，隨著流道外徑P9的增加，等效應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)，在壁厚195mm時(shí)，等效應(yīng)力的最大值為最??；P10對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖8，隨著閥體外徑P10的增加，等效應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)，在閥體外徑480mm時(shí)，等效應(yīng)力的最大值為最??；P11對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖9，隨著閥體外徑P11的增加，等效應(yīng)力呈先減小后緩慢增大的趨勢(shì)，在P11為198mm時(shí)，等效應(yīng)力的最大值滿足小于屈服應(yīng)力，且P11大于204mm，其增加會(huì)引起閥體等效應(yīng)力的增大，但影響程度比較小；P1和P2對(duì)閥體等效應(yīng)力的影響見(jiàn)圖10和圖11，隨著閥體圓角P1和P2的增加，等效應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)，在P1和P2分布為25mm和21mm時(shí)，等效應(yīng)力的最大值為最小。

圖6 P3閥體等效應(yīng)力影像

圖7 P9閥體等效應(yīng)力影像

圖8 P10閥體等效應(yīng)力影像

圖9 P11閥體等效應(yīng)力影像

圖10 P1閥體等效應(yīng)力影像

圖11 P2閥體等效應(yīng)力影像

2.2.3 優(yōu)化結(jié)果及分析

輸入變量為P9和P10應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析圖見(jiàn)圖12，閥門(mén)的最大應(yīng)力由237MPa(g)降到204MPa(g)，降低14%；輸入變量為P10和P11應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析圖見(jiàn)圖13，閥門(mén)的最大應(yīng)力由230MPa(g)降到202MPa(g)，降低12%；輸入變量為P1和P2應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析圖見(jiàn)圖14，閥門(mén)的最大應(yīng)力由232MPa(g)降到201MPa(g)，降低13%；輸入變量為P3和P9應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析圖見(jiàn)圖15，閥門(mén)的最大應(yīng)力由225MPa(g)降到199MPa(g)，降低11.5%。

圖12 P9和P10應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析

圖13 P10和P11應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析

圖14 P1和P2應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析

圖15 P3和P9應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)空間分析

經(jīng)過(guò)有限元優(yōu)化程序優(yōu)化影響閥體強(qiáng)度的6個(gè)參數(shù)，保證閥體受力強(qiáng)度，且有效減小閥體的等效應(yīng)力，閥體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 閥體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行有限元分析，材料、約束和載荷與改進(jìn)前相同，網(wǎng)格劃分根據(jù)模型改進(jìn)后重新劃分，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖16，從圖中可看出，相比前述應(yīng)力集中部位有了明顯的減小，且應(yīng)力分布更加均勻；改進(jìn)后閥體的等效應(yīng)力最大值仍然在閥體相貫位置，但是最大應(yīng)力為196MPa(g)，小于屈服強(qiáng)度，比優(yōu)化最大等效應(yīng)力減小了15.5%，保證了閥體的強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度試驗(yàn)要求。

圖16 優(yōu)化后閥體等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)本文利用 Workbench 的響應(yīng)面優(yōu)化方法對(duì)閥體的6個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了系統(tǒng)分析和優(yōu)化，使閥體的整體強(qiáng)度得到了有效的提升，改進(jìn)后的閥體最大等效應(yīng)力降低了15.5%，使閥體應(yīng)力集中處應(yīng)力值明顯降低，改善了閥體的應(yīng)力分布，使其結(jié)構(gòu)更加合理。

(2)優(yōu)化后的閥體壁厚有所減少，重量降低了6.9%，節(jié)約了制造成本，體現(xiàn)出優(yōu)化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要意義。

(3)閥體的可靠性滿足要求，由靈敏度分析可知，可通過(guò)改變閥體壁厚尺寸來(lái)改進(jìn)閥體結(jié)構(gòu)的可靠性。