閘板的有限元力學分析

2013-05-20 李乃禾西南石油大學

　　本論述建立了105Mpa平行閘板閥的閘板模型，運用有限元分析軟件對閘板進行了網格劃分、約束、加載，對計算結果進行了分析，得出所設計閘板能滿足工況要求的結論，為高壓閘板閥的閘板設計提供了理論依據。

　　閘板是平行閘閥最重要的零件，閘板在開啟關閉的過程中受到關閉過程流體對閘閥的沖擊作用以及閥桿對閘閥拉伸作用，因此，真空技術網(http://smsksx.com/)經過對閥板進行有限元力學分析，了解其應力應變分布規律，對改善閘板受力情況，改進其結構以及提高閘板的工作可靠性和使用壽命具有重要意義。

1、閘板的三維有限元模型

　　由于閘板模型結構比較簡單，對其整體結構采用C3D4四面體單元對其進行網格劃分，其中在壓力作用面上進行了細化，共劃分18981個節點，96777個單元，其網格模型見圖1所示。

圖1 閥板三維實體單元網格模型

2、初始邊界條件

　　根據閥板的實際工作情況，閘板在全關狀態下的受力最大，達到了105MPa，且其約束主要時通過閥座與閘板之間的摩擦力來進行固定，因此，對閥座與閘閥之間的接觸面進行了位移全約束，見圖2所示。

圖2 施加約束后的閥板

3、載荷和工況

　　由于閘板在全關時，受到了105MPa的壓力，并且在關閉的瞬間，閘板上端受到105Mpa壓力產生的摩擦力，阻止閘板的移動，因此，本論述對閘板施加兩種載荷：一是作用在圓域上的105MPa的壓力;二是絲桿螺母傳遞給閘板的拉力，其受力情況見圖3所示。

圖3 施加載荷后的閥板

4、有限元計算結果及分析

　　通過對閘板在全關狀態工況下的分析，確定此時閘板處的所受到的壓力最大，并以此作為邊界條件對閘板的應力狀態進行有限分析，見圖4所示。

圖4 閥板整體的Mises應力圖

　　為了能更準確的觀察閘板內的應力狀況，取閘板的半剖圖(見圖5所示)以及局部放大圖(見圖6所示)，以便能直觀的觀察閘板內的應力分布情況。

圖5 閥板內部Mises應力圖

圖6 閥板位移應力圖

　　通過以上的分析可知，整個閘板所受到的應力主要在集中在26-220MPa范圍內，且大部分都處在低應力區，而在梯形螺紋孔處和加潤滑脂孔以及閘板安裝絲桿螺母處出現應力集中，其應力集中處最大應力值為281.7MPa。

　　為了能夠更好的了解閘板的應力分布情況，通過取應力集中區域三種不同的路徑a、b、c(見圖7所示)，來對路徑上的應力大小進行分析。

圖7 三種不同路徑a、b、c

　　通過選取以上應力集中處的三種不同路徑，取出各路徑上的應力值，從而能夠更好的了解軸承支架處的應力載荷情況，將其繪制成一條曲線，進而將集中處的應力分布形象地表示出來，見圖8、9、10所示。

圖8 路徑a下的應力曲線和位移曲線

圖9 路徑b下的應力曲線和位移曲線

圖10 路徑c下的應力曲線和位移曲線

　　從以上三種不通過路徑下的應力曲線圖可以看出，這些集中區域的應力大都在200MPa以上，屬于閘板所受應力值較大區域，并在路徑c處產生了應力集中最大值為281MPa。閘板選材為50CrVA，其相關參數為：σb=1280MPa=σs1130MPa，取σb/4.25和σs/2.3中的較小者，得到許用應力[σ]為301.17MPa>281MPa。