球閥殼體的有限元分析

趙海琴 馮進

摘 要：運用三維設(shè)計軟件建立了球閥殼體的三維實體模型，利用有限元分析軟件建立了球閥殼體結(jié)的有限元分析模型并進行強度分析，得出球閥殼體的最大應(yīng)力和應(yīng)力分布規(guī)律，為球閥結(jié)構(gòu)的安全合理設(shè)計和進一步優(yōu)化奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：球閥；殼體；有限元分析

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0007-02

Abstract： The 3D solid model of the ball valve shell is established using the 3D design software， the finite element analysis model of the ball valve shell junction is established using the finite element analysis software， and the strength analysis is carried out， and the maximum stress and the stress distribution law of the ball valve shell are obtained. It lays a good theoretical foundation for the safe and reasonable design and further optimization of the ball valve structure.

Keywords： ball valve； shell body； finite element analysis

球閥不僅結(jié)構(gòu)簡單、密封性能好、維修方便，而且它的旋塞體為球體，繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90°便能快速啟閉，驅(qū)動力矩小，操作簡便。球閥在管道上主要用于切斷、分配和改變介質(zhì)流動的方向，設(shè)計成V形口的球閥還具有節(jié)流和控制流量的作用，被廣泛的用于各行各業(yè)中。

球閥在實際使用中，由于工作的環(huán)境，需要承受巨大的壓力，如果其強度不夠，很容易開裂甚至發(fā)生爆炸，后果不堪設(shè)想，所以分析其結(jié)構(gòu)的安全性有著非常重要的作用。本文根據(jù)設(shè)計的圖紙建立了球閥殼體的三維模型，運用有限元分析軟件進行強度分析，通過分析結(jié)果判定其是否滿足設(shè)計要求，以便為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進提供理論的依據(jù)。

1 球閥殼體有限元模型的建立

球閥殼體設(shè)計壓力是69.0MPa，它主要由閥體、閥蓋、樞軸和頂法蘭四部分通過上端M8螺栓、下端M6螺栓和右端1/2-13UNC螺栓連接成一個整體，同時形成了3個相觸面如圖1所示。分析殼體的強度需要從兩個方面分析，一是殼體本身的強度是否合格，二是螺栓連接是否合格。基于有限元分析相關(guān)理論和實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通常會對模型進行簡化，又因為球閥殼體結(jié)構(gòu)上的對稱性，其所受載荷均勻周向布置，故選取殼體的一半進行有限元分析，以節(jié)約計算時間，節(jié)省資源。然后采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，共產(chǎn)生單元總數(shù)16015個，節(jié)點總數(shù)26031個，建立的球閥殼體有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 材料特性系數(shù)的確定

球閥殼體材料為不銹鋼F53，螺栓材料為A479 UNS S32760，查閱資料可知其材料特性系數(shù)如表1。

3 加載條件的確定

加載條件主要包括殼體邊界條件的約束及載荷施加面的確定。球閥殼體結(jié)構(gòu)采用了1/2實體模型，對稱面上載荷也呈對稱分布，在約束條件中需施加對稱邊界約束。根據(jù)球閥實際使用工況，殼體的左端施加全約束。

球閥在工作中主要承受閥腔內(nèi)均勻分布的69.0MPa的壓力，按照API 6A標(biāo)準(zhǔn)要求，我們采用1.5倍的工作壓力（即靜水壓103.5MPa）和12.5MPa端面軸向壓力進行分析，螺栓的預(yù)緊載荷為275MPa，并結(jié)合實際使用工況，給3個相觸面施加0.05摩擦力系數(shù)，由于殼體本身的重量不大，對模型分析結(jié)果影響不大，可以忽略不計。

4 計算的結(jié)果

具備了加載條件后，即可對模型進行計算，求得該工況下殼體和螺栓的受力情況。殼體的應(yīng)力、應(yīng)變和變形的最大位移情況如圖3和圖4所示。3個相觸面上每個螺栓受力情況如表2所示。

5 結(jié)論

（1）通過圖3所示，球閥殼體在靜水壓1.5倍工況下，壓力分布由內(nèi)而外逐漸減小，符合彈塑性力學(xué)理論的要求。殼體的外部安全區(qū)壓力均小于46.3MPa，是安全系數(shù)最高的。殼體壓力內(nèi)部最大值是542.6MPa小于不銹鋼F53材料的最大應(yīng)許應(yīng)力550MPa，按照API 6A標(biāo)準(zhǔn)的要求，壓力容器內(nèi)壁最大等效應(yīng)力小于材料的屈服強度，這說明殼體本身的強度是符合要求的。

（2）通過圖4所示，球閥殼體的最大位移為2.583×10-2mm，說明殼體整體剛度滿足設(shè)計要求。

（3）通過表2和查閱相關(guān)資料可知M8、M6和1/2-13UNC螺栓的有效面積分別為36.60mm2、20.10mm2、91.54mm2，轉(zhuǎn)換成最大螺栓應(yīng)力分別為309.81MPa、317.41MPa、306.82MPa，又螺栓材料的屈服強度是550MPa，滿足API 6A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺栓應(yīng)力SA≤0.83Sy的要求，這說明螺栓的強度滿足要求。

綜上所述，通過螺栓連接的球閥殼體強度滿足設(shè)計要求，安全系數(shù)也較高。在對殼體進行優(yōu)化時，可以適當(dāng)降低殼體的壁厚達到降低成本的效果。

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