一種蝶閥的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與內(nèi)部流場(chǎng)分析

喬 海，羅 鑫，張 岳，楊欣月，譚丁仁，馬宗民*，李淑嫻，陳建國(guó)

（大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

蝶閥是機(jī)械工程中一種常用的閥門(mén)部件，在流體運(yùn)輸管路中廣泛應(yīng)用。普通蝶閥在工程實(shí)際中具有相對(duì)較小的流體阻力，經(jīng)過(guò)逐步發(fā)展和改進(jìn)，已經(jīng)具有成熟的設(shè)計(jì)理論與方法[1]。大口徑蝶閥在船舶海洋工程中應(yīng)用廣泛，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中存在不少問(wèn)題，如：蝶閥蝶板工作狀況下的變形與應(yīng)力過(guò)大及蝶閥應(yīng)力集中問(wèn)題對(duì)蝶閥的影響。隨著計(jì)算機(jī)與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，工程設(shè)計(jì)與分析軟件的可視化也得到了快速發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也進(jìn)入到了虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)代。通過(guò)工程設(shè)計(jì)與分析軟件，能夠充分模擬工作環(huán)境，展現(xiàn)虛擬機(jī)構(gòu)的響應(yīng)狀況，對(duì)其進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。利用虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行蝶閥的分析：根據(jù)工程需要設(shè)計(jì)蝶閥的外形尺寸，然后通過(guò)ansys數(shù)值仿真軟件評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度是否滿(mǎn)足工作條件。

蝶閥是通過(guò)閥桿運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)碟板，以實(shí)現(xiàn)管路開(kāi)啟關(guān)閉的一種閥門(mén)。蝶閥在開(kāi)啟完全時(shí)，流阻較小，可以進(jìn)行精準(zhǔn)的流量控制。因此，蝶閥在大口徑的管路調(diào)節(jié)領(lǐng)域應(yīng)用普遍。應(yīng)用Solid WorksFlowSimulation進(jìn)行蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)分析，評(píng)價(jià)水力特性，以實(shí)現(xiàn)蝶閥的減振及降噪。

與小口徑的蝶閥相比，大口徑蝶閥缺少試驗(yàn)條件，驗(yàn)證難度大，很難得到一些具體的驗(yàn)證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)于大口徑蝶閥的設(shè)計(jì)通常應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)[2，3]。本文以手動(dòng)蝶閥為原型建立蝶閥三維模型，分別采用ansys workbench和進(jìn)行Solid WorksFlowSimulation進(jìn)行數(shù)值仿真。

1 蝶閥三維結(jié)構(gòu)建模

表1 主要尺寸參數(shù)

蝶閥的主要尺寸參數(shù)，見(jiàn)表1。應(yīng)用三維建模軟件Solid Works建立蝶閥的三維模型，蝶閥結(jié)構(gòu)主要包括閥體、閥軸和蝶板等，建模過(guò)程中忽略對(duì)蝶閥應(yīng)力分析影響較小的不必要形體，重點(diǎn)放在蝶板的建模上。

圖1 蝶閥三維模型

圖2 蝶閥局部剖視圖

圖3 蝶板網(wǎng)格圖

為方便了解蝶閥工作原理，對(duì)蝶閥模型進(jìn)行部分剖分，剖視圖見(jiàn)圖2。

2 有限元網(wǎng)格劃分

將建好的蝶閥三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，差的網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的收斂而導(dǎo)致無(wú)法得到可靠結(jié)果[4，5]。

由于蝶閥內(nèi)部承受正常工作壓力及其它多種壓力載荷，閥體和蝶板均發(fā)生形變，且較為明顯，但是閥體的變形較于蝶板變形不太明顯[6]。為了方便得到蝶閥應(yīng)力云圖，本文僅對(duì)蝶板進(jìn)行了應(yīng)力分析。蝶板的網(wǎng)格圖見(jiàn)圖3。

3 載荷與約束

蝶板選用材料為WCB，密度7860kg·m-3，彈性模量2.10E11Pa，泊松比取0.3。將蝶板材料數(shù)據(jù)加入ANSYS Workbench中的材料屬性中。因蝶閥的工作動(dòng)態(tài)是蝶板在閥體內(nèi)部上下運(yùn)動(dòng)，將蝶板的左右兩耳約束。蝶閥的內(nèi)部在充滿(mǎn)水的情況下，蝶板承載水的壓力。蝶閥在一般情況下，其工作壓力約為2.0MPa。因此，在蝶板進(jìn)水面施加2.0MPa的壓力。

采用Solid WorksFlowSimulation軟件模擬蝶閥內(nèi)部液體流動(dòng)情況。根據(jù)《GB/T30832-2014閥門(mén)流量系數(shù)和流阻系數(shù)實(shí)驗(yàn)方法》的規(guī)定，將模擬的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)設(shè)為水，將閥門(mén)右側(cè)進(jìn)水口質(zhì)量流量設(shè)為0.5kg/s，左側(cè)出水口則為反向靜壓，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa。

4 應(yīng)力變形結(jié)果

圖4 蝶板位移云圖

圖5 蝶板應(yīng)力云圖

由蝶閥的位移云圖（圖4）可以得出，蝶閥在正常工作環(huán)境下，最大形變及位移發(fā)生在蝶板中線處的最下端，最大形變位移量為3.955mm，這是因?yàn)殚y桿與蝶板連接以及蝶板左右兩耳的約束，使蝶板下端在工作時(shí)產(chǎn)生的力矩最大，導(dǎo)致蝶板下端成為形變最大的位置。由圖5可以看出，在蝶閥工作受到水壓時(shí)，蝶板的兩耳下端應(yīng)力集中所受應(yīng)力最大。由于在蝶板背進(jìn)水面添加多條肋板，使蝶閥大部分應(yīng)力分散，減少蝶板內(nèi)部的應(yīng)力集中。

5 內(nèi)部流場(chǎng)分析結(jié)果

圖6與圖7是蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)分析結(jié)果圖。在蝶閥不同開(kāi)度下，因蝶板阻礙不同使得蝶閥內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)變化較大。圖6為開(kāi)度為1/5時(shí)的流場(chǎng)分析結(jié)果，流體通過(guò)的管道的通道較小，蝶板兩側(cè)所受到的壓力差別較大，左側(cè)壓力小于右側(cè)壓力。蝶板與閥體內(nèi)部之間的流體流速很高。由于流體的急速通過(guò)與蝶板左下側(cè)形成壓差，產(chǎn)生范圍較大的渦流，蝶板內(nèi)部也會(huì)形成旋渦。隨著蝶板上升，開(kāi)度為1/2時(shí)，見(jiàn)圖7，流動(dòng)趨于平緩，蝶板左右兩側(cè)壓差減小，流態(tài)相對(duì)平穩(wěn)，蝶板內(nèi)部漩渦明顯減少。

圖6 開(kāi)度1/5水流壓力分布(左)水流動(dòng)軌跡（右）

圖7 開(kāi)度1/2水流壓力分布(左)水流動(dòng)軌（右）

6 結(jié)論

（1）應(yīng)用Solid Works對(duì)蝶閥進(jìn)行三維建模，可以直觀地表現(xiàn)蝶閥的設(shè)計(jì)特征，Solid Works具有參數(shù)化建模功能，可實(shí)現(xiàn)不同尺寸蝶閥的快速建模；直接運(yùn)用Solid Works軟件內(nèi)部FlowSimulation流體分析模塊，可直接進(jìn)行蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)的分析。ANSYS Workbench仿真平臺(tái)與Solid Works具有良好的文件傳遞接口，可快速將模型文件導(dǎo)入 ANSYS Workbench，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)仿真分析。

（2）Solid Works Flow Simulation和ANSYS Workbench都對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果具有強(qiáng)大的可視化能力，可以直觀地對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行查看分析，可以展示蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布流體流動(dòng)軌跡和形變及應(yīng)力分布等狀況。

（3）本文以大口徑手動(dòng)蝶閥為例，運(yùn)用ANSYS Workbench進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，了解蝶閥的變形與應(yīng)力分布情況，評(píng)價(jià)其強(qiáng)度和剛度；運(yùn)用Solid Works Flow Simulation進(jìn)行了蝶閥不同開(kāi)度內(nèi)部流場(chǎng)的分析，了解流場(chǎng)壓力及流體流動(dòng)軌跡等情況，評(píng)價(jià)蝶閥的水力特性，降低流體流動(dòng)引起的振動(dòng)與噪聲?？傊?，運(yùn)用ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)力學(xué)和Solid Works Flow Simulation內(nèi)部流場(chǎng)分析，可是快速實(shí)現(xiàn)蝶閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。