采用有限元法計算了常溫下球閥的密封接觸應力分布和變形情況。分析結果表明，在球閥的密封結構設計中選用聚四氟乙烯作為閥座材料是可行的。

1、概述

　　密封失效是閥門常見的失效形式之一。由于密封結構中包含復雜材料特性的密封元件，有限元求解過程中包含復雜的非線性接觸分析。密封結構在工作狀態中存在不穩定工況( 如溫度、壓力和密封介質特性) 等，使采用有限元法進行密封接觸分析涉及到幾何非線性和材料非線性等問題。幾何非線性主要體現在接觸過程中接觸部位的準確確定從而正確地設置接觸對，真空技術網(http://smsksx.com/)認為材料非線性主要是指由于大多數密封件中通常會采用一些具備超彈性和粘彈性的非線性材料，如各種類型的橡膠和工程塑料等。本文以球閥為例，對常溫下球閥的密封件進行有限元接觸分析，獲得其接觸應力和接觸變形情況，檢驗校核聚四氟乙烯閥座是否符合強度要求和密封變形限制。

2、有限元建模及加載

　　2.1、載荷計算

　　在實際工況下，球閥的球體在介質壓強的作用下產生微小偏移量擠壓介質出口端的閥座密封件，使得兩者密封面接觸(圖1) 。密封件受到閥體限制產生塑性變形，通過閥座端面將力傳遞到閥體，由于閥體與外接法蘭管件連接，受到固定作用，連接的端面產生對應的平衡，使整體處于平衡狀態。根據對實際工況下球閥密封狀態時力傳遞過程(圖2) 的分析可知，在閥門的密封狀態，載荷即外界作用力主要包括介質壓力、接觸壓力和端面壓力。由此可知，閥座的載荷理論值q 主要包括介質壓力、接觸壓力和端面壓力。

圖1 閥門密封狀態

圖2 閥門密封狀態的力傳遞流程

　　根據DN50 球閥的設計數據可知，d = 54mm，D= 66mm，p = 2.5MPa。將各數值代入式(1) ，計算獲得載荷的理論值q = 6.25 MPa。

　　2.2、材料模型

　　在接觸分析中主要部件為球體和閥座。目前常用的閥座材料為PTFE，其材料力學性能較為穩定(表1) 。球體常用材料為304不銹鋼(表2) 。

表1 PTFE 材料的常溫(22℃) 力學性能

表2 304 不銹鋼常溫(22℃) 下的力學性能

　　PTFE相對于橡膠而言其塑性特征更明顯，通常呈現為雙線性隨動強化特征，而且材料特性對溫度比較敏感。因此，對于研究所用的純PTFE 閥座，主要考慮其彈塑性特征，在有限元分析中采用雙線性隨動強化材料模型模擬，在ANSYS 中采用彈塑性實體模型Visco solid 8 node plas 107 單元進行求解。定義PTFE材料密度為2100kg/m³，彈性模量為0.4GPa，屈服強度為18MPa，切向模量為120MPa，泊松比為0.35，取動摩擦系數為0.15。由于閥體和球體均為304 不銹鋼，在常溫下其材料性能可用線彈性模型表示。在ANSYS 中定義其材料彈性模量為195GPa，屈服強度為205MPa，密度為7 930 kg /m³，泊松比為0.294。

3、結語

　　仿真分析是閥門設計的一種重要方式，可對產品的性能給出初步的評價。而基于經典力學理論的常規設計計算方法由于其固有的局限性，真空技術網(http://smsksx.com/)認為對于復雜幾何結構和多載荷作用下的計算是無能為力的，即使對簡單邊界條件的結構，也會因為結構較復雜使得計算不準確，甚至與實際相差甚遠。因此，基于有限元法的數值模擬解決相對復雜的問題，本文通過對常溫下球閥的密封件進行有限元接觸分析，獲得了其接觸應力和接觸變形情況。分析結果表明，聚四氟乙烯閥座符合強度要求和密封變形限制。