基于大型通用有限元軟件ANSYS，分別對筋板在垂直及傾斜放置時的高溫蝶閥閥座進行數值模擬和加載分析，獲得了高溫蝶閥閥座的徑向、周向、軸向和MISES等效應力場情況，對兩種閥座的承載能力進行了對比和分析，為高溫蝶閥的結構優化和安全選型提供參考依據。

1、概述

　　蝶閥結構簡單，體積小，啟閉迅速流阻小。目前國內生產的閥門中，將工作溫度t>450℃的蝶閥稱為高溫蝶閥。

　　某公司煙機入口的調節閥采用DN1200電液高溫蝶閥，其閥體結構為雙偏心形式，且閥體與管道采用焊接連接。高溫蝶閥的操作溫度為650℃，閥座和蝶板的材質為0Cr18Ni9。高溫雙偏心蝶閥常采用兩種形式，即蝶閥筋板可采用垂直放置和斜置兩種形式。為探討兩種結構形式的強度，利用ANSYS有限元分析軟件提供的APDL語言編程參數化技術對不同筋板放置下的蝶閥閥座建立較為精確的三維有限元模型，分析兩種結構在內壓6MPa(水壓試驗壓力)的應力分布。

2、有限元模型

　　2.1、幾何模型

　　利用ANSYS分別建立蝶閥閥座在筋板垂直及斜置狀態下的三維幾何模型(圖1)，其中斜置筋板與閥座中心橫切面所成的角度為25°。閥門操作壓力為0.26MPa，閥座外覆防水泡沫石棉保溫材料，厚度為80～100mm，由于只考慮閥座筋板對閥座強度的影響，故保溫層可以忽略不計。

　　2.2、網格劃分

　　對閥座應力分析計算采用SOLID45單元，其具有三維8節點，每個節點有三個沿著x、y及z方向平移的自由度。閥座在內壓下強度的分析未考慮溫度分布和保溫層的影響。

　　當蝶閥筋板垂直放置時，考慮到幾何模型的復雜性，為保證網格質量和分析結果的準確性，將整體分析模型細分為較小的體積塊，并依次進行網格劃分，確保有限單元網格的光滑過渡。考慮到兩端支撐邊界對蝶閥受力情況的影響，這里將閥座模型向兩端各延長600mm。整體有限單元模型如圖2(a)所示，共15986個SOLID45單元。當蝶閥筋板傾斜放置時，考慮到幾何模型的復雜性，中間采用自由網格劃分，整體有限元模型如圖2(b)所示，共12813個SOLID45單元。

(a)蝶閥筋板垂直放置 (b)蝶閥筋板斜置

圖1 垂直和斜置筋板下的閥座三維模型

(a)蝶閥筋板垂直放置 (b)蝶閥筋板斜置

圖2 垂直和斜置筋板下的閥座網格劃分模型

　　2.3、材料屬性及邊界條件

　　根據蝶閥的操作條件，確定其材料屬性、初始條件及邊界條件。

　　(1)材料屬性

　　蝶閥材質為0Cr19Ni9，即304不銹鋼。彈性模量為1.95×10⁵MPa，泊松比為0.3。值得注意的是，模型兩端延長部分采用相同的材料屬性。

　　(2)邊界條件

　　在模型入口端的斷面上施加固定邊界，而另一端的斷面保持為平面，即耦合軸向方向的位移。

　　(3)載荷

　　根據水壓試驗壓力，閥座內壓取為6MPa。在閥座保持為平面的一端及接管的端部施加響應的軸向拉力P。

4、結語

　　(1)采用ANSYS軟件，分別對筋板在垂直及傾斜放置狀態下加載分析，獲得了高溫蝶閥閥座的徑向、周向、軸向和MISES等效應力場情況，對兩種閥座的承載能力進行了對比分析，為高溫蝶閥的結構優化和安全選型提供參考依據。

　　(2)計算結果表明，筋板垂直放置時蝶閥閥座的最大等效應力在短接管與閥座筒體內壁連接處，且最大值為191.14MPa。筋板傾斜放置時蝶閥閥座的最大等效應力也在短接管與閥座筒體內壁連接處，且最大值為154.1MPa。

　　(3)值得注意的是，雖然二者的最大等效應力均在短接管與閥座筒體內壁連接處，但其開孔位置不同。如果僅考慮內壓的作用，筋板傾斜放置時蝶閥閥座的承載能力較高。根據彈性設計準則，筋板傾斜放置時蝶閥閥座的承載能力約為垂直放置時閥座的1.24倍。