大口径蝶阀的有限元分析与设计

    近年来，许多工业企业还根据需要，提出了一些大型阀门（如直径为Φ5350mm）的设计制造问题。然而，根据现有的阀门设计手册和相应的标准，还很缺乏有关大口径阀门的设计数据资料，同时行业内也缺乏对大型阀门的设计经验。因此，需对其进行详细准确的计算分析，需要对其进行变形与受力分析计算。然后根据其结果进行设计。从而保证其具有良好的密封性和足够的强度。但是，由于阀门结构的特殊性，很难用经典的力学方法进行分析计算，只有采用有限元方法来分析计算。采用有限元方法，对直径为Φ5350mm蝶阀的阀体和蝶板进行分析计算，以便为其结构合理和设计优化提供理论依据，避免造成不必要的材料浪费。
    原理：
    有限元分析法的实质是通过两次近似将具有无限多个自由度的弹性连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值求解的结构问题。第一次近似为单元分割，精确的边界被离散为简单的边界，连续的物体被离散为一系列只有节点相连的单元，结构离散也称为网格划分，离散而成的单元集合体将替代原来的弹性连续体；第二次近似为真实复杂的位移分布被近似地表示在分析结果图形中，可以直观的看到分析计算结果。
    这里需要说明的是目前有限元分析法的地发展及实际应用借助了一个重要的工具：在实际计算中使用了计算机。利用计算机的系统化软件进行分析计算，极大地提高了分析速度，在实际应用中起到了非常重要的作用。
    1 阀门的结构
    本阀门采用三偏心结构，阀体为双法兰加环筋式；蝶板为异型板式，其上合理地布置不同形式的筋板，其结构是比较复杂的，采用手工计算工作量较大，因此采用三维有限元分析软件进行计算。
    2 阀体的有限元计算分析
    结构离散是有限元法的基础。所谓结构离散化就是将要分析的弹性连续体按照一定的规则分成有限个单元体的集合，使相邻单元在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点来传递。结构离散也称为网格划分，离散而成的单元集合体将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个计算模型上进行。
    首先建立阀体简要结构的有限元模型。
    2.1 边界条件的确定
    阀体的变形主要受阀体本身自重和阀门其他部件（如阀板、动力装置）重量的影响，因此在计算时要充分考虑其他部件的重量，我们选择阀门在竖直放置时阀体的变形计算，加载整体Y向3g重力加速度，阀体底部也加载Y向及X向约束，同时考虑到阀门孔径较大，会出现管道端面效应，因此要在两片法兰上加载阀门Z向约束。

图 1

    2.2 受力情况分析
    由于阀门口径大，一般都采用钢板焊接结构，因此主要考虑的是阀门整体重量对阀体的影响，避免阀体有较大自重变形，从而影响阀门的正常使用，由重力加速度为g，但实际上从安全角度考虑，我们按3g计算。加载Y=3g，通过有限元分析计算可以得出阀体在3倍重力加速度下的自重变形情况。下图为阀体变形情况，由图可知其最大变形量为0.6mm。

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