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大口径球阀的结构优化设计
- 2020-08-17-

  大口径球阀的结构优化设计

      1有限元模型及应力分析


  1.1几何模型的建立


  阀体的实体模型应该反映其实际结构。同时,在保证计算精度的前提下,模型应尽可能简化。因此在建模过程中对一些不影响阀体的总体性能的特征进行简化。因此在建模过程中对一些不影响阀体的总体性能的特征进行简化处理。但简化时要分清主次,需要遵循以下几条原则:


  (1)选择合理的基准坐标。在建模过程中,选择合理的基准坐标可以减少尺寸的数量,使建模的手段得以简化。


  (2)忽略一些小的倒角,一些不重要位置的小倒角对阀体结构的变形和应力分布影响很小,可以忽略不计,这样可以节省计算时间。


  (3)注意建模的顺序。要由内而外,由上而下。


  (4)合理巧妙的利用模型的对称结构。


  1.2材料参数


  活门为焊接活门,其材质为欧洲标准低合金钢强度板S355,弹性模量为206000MPa,泊松比为0.3;屈服强度为335MPa,抗拉强度为470~630MPa。


  1.3边界条件和载荷


  此类大型球阀多用于高水头水电站的主进水阀,其作用主要是切断上游水流,此阀门的质量关系到整个电站的安全,因此在出厂前需要做水压试验。试验必须考虑恶劣的工况,活门水压测试应在球阀关闭位置,并且要承受大静水压力的1.5倍,此静水压力对应的就是大上游水位高程与球阀高程的差。本文采用某水电站数据,其上游大水位高程与球阀安装高程相差200米,故在球阀关闭状态时,作用于球阀活门上游测的压力为2MPa压力,其试验压力按1.5倍的额定压力,其数值为3MPa,此压力就是我们要加载到模型上的载荷,如图5所示。


  活门承受的载荷通过活门两侧的耳柄传递到活门上,活门上的载荷再通过球阀阀体传递到埋入基础,因此活门承受的约束即为活门反作用于活门耳柄上的约束,并且耳柄是可以旋转的,故此处耳柄的约束为滚动轴承接触,如图6所示。


  2额定压力下活门应力分析


  本文中球阀由S355钢板焊接而成,其杨氏弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3,屈服强度为335MPa,抗拉强度为470MPa,如按两倍的安全系数,则其需用应力应为[σ]=167MPa。在工作压力2MPa下,对活门进行应力及位移的有限元分析。


  经过计算,我们得到了活门的应力分布云图、位移分布云图,分别如图7、图8所示。通过分布云图,我们可知,在额定工作压力时,活门的大应力发生在活门内侧靠近枢轴位置,其应力值为156.65MPa,可以满足许用应力值。大位移发生在密封座上下两侧,其位移值为0.46mm,通常我们需要把活门的变形控制在0.001DN的范围内,此球阀的DN为600mm,即允许变形量为6mm以内,故在额定压力下,变形也满足要求。


  3试验压力下活门应力分析


  在试验压力3MPa下,通过应力分析,得到等效应力分布云图,其大应力为234.97MPa,远远超出许用应力[σ]=167MPa。通过试验压力下的变形云图,得出大位移为0.69mm,故不能满足设计要求。


  综上所述,在额定工作压力下进行分析,活门的应力和位移均能满足要。若在试验压力下进行分析,应力和位移不能满足设计要求并且存在危险,若在实际使用过程中会增大球阀的运行风险,降低球阀使用寿命。因此从安全和经济性角度出发,我们需要在活门上布置加强筋板和增加密封座厚度来解决这些问题。