大口徑蝶閥流固耦合特性及共振特性的研究

張偉政，趙鵬博，張作麗，劉仿民

(1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050；2.溫州伯特利閥門集團(tuán)，浙江 溫州 325105)

三偏心金屬硬密封蝶閥在石油、化工、冶金、水電等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，作為經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中成套設(shè)備的關(guān)鍵產(chǎn)品,大口徑、高溫、高壓三偏心金屬硬密封蝶閥是國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)新產(chǎn)品[1]。目前，對(duì)大口徑三偏心金屬硬密封蝶閥的閥板和閥桿的應(yīng)力變形及共振特性分析研究較少。陳宇政[2]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)大口徑蝶閥進(jìn)行了流場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算。Lisowski等[3]利用CFD方法對(duì)控制閥內(nèi)部流體進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。但是他們沒(méi)有研究閥板和閥桿的具體應(yīng)力和變形。此外，王雯等[4]利用流固耦合的方法對(duì)調(diào)節(jié)閥-管道-流體系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究。孟思佳等[5]利用流固耦合的方法對(duì)止回閥進(jìn)行了流場(chǎng)及應(yīng)力變形的數(shù)值模擬分析。趙永強(qiáng)等[6]利用流固耦合的方法對(duì)螺桿進(jìn)行了不同工況下應(yīng)力和變形分布規(guī)律。然而，針對(duì)大口徑蝶閥的閥板和閥桿用流固耦合方法分析其應(yīng)力和變形的研究較少。另外，還有一些學(xué)者研究了振動(dòng)的問(wèn)題。例如：劉文彬[7]利用數(shù)值模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)水管路閥門進(jìn)行了振動(dòng)噪聲特性研究。王海民等[8]利用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方法進(jìn)行了三偏心蝶閥的振動(dòng)特性研究。Li等[9]利用熱流固耦合的方法對(duì)連桿蝶閥進(jìn)行了共振預(yù)測(cè)研究。這些研究對(duì)本論文的研究具有重要的理論指導(dǎo)意義，然而這些研究針對(duì)的都是口徑比較小的閥，且這些研究沒(méi)有進(jìn)行不同開(kāi)度下閥板和閥桿具體的共振分析。

本文通過(guò)研究大口徑三偏心金屬硬密封蝶閥5%、15%、30%、50%、75%和100%這6個(gè)開(kāi)度來(lái)分析其流場(chǎng)特性，得出其流線云圖，觀察流線云圖可知介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)有旋渦生成，當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過(guò)不同開(kāi)度下的閥板和閥桿時(shí)會(huì)產(chǎn)生饒流，此時(shí)出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象，當(dāng)卡門渦脫落頻率與閥板和閥桿的固有頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振。因此，本文也是利用這一理論知識(shí)來(lái)研究其共振特性。

1 幾何模型及材料參數(shù)的確定

1.1 簡(jiǎn)化模型

利用solidworks軟件建立其三維模型，為了提高計(jì)算精度，給閥門增加了管道，閥前取5DN，閥后取10DN，并且對(duì)模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，如圖1所示。

1-閥桿；2-閥板；3-管道；4-閥體圖1 三偏心金屬硬密封蝶閥Fig.1 Triple eccentric metal hard seal butterfly valve

1.2 材料參數(shù)的確定

在進(jìn)行流固耦合分析時(shí)，靜應(yīng)力場(chǎng)需要確定閥門的材料參數(shù)，閥門的各部分零部件按照ASTM A216標(biāo)準(zhǔn)和ASTM A105標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，如表1所示。

表1 閥門各部分零部件材質(zhì)參數(shù)Tab.1 Material parameters of valve parts

1.3 工況的確定

本文采用的工況參數(shù)為：進(jìn)口壓力2 MPa，出口壓力1.6 MPa，壓降0.4 MPa，介質(zhì)為液態(tài)水。

2 流固耦合數(shù)值模擬分析

2.1 流固耦合理論

流固耦合理論包含流場(chǎng)計(jì)算理論、靜應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算理論和流固耦合計(jì)算理論三部分組成。

2.1.1 流場(chǎng)計(jì)算理論

由于三偏心金屬硬密封蝶閥為湍流流動(dòng)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)Κ-ε模型來(lái)研究流場(chǎng)特性。本文所用到的流體力學(xué)控制方程有質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。分別為

(1)

(2)

(3)

式中：k為傳熱系數(shù);T為溫度;Cp為比熱容;ST為黏性耗散項(xiàng);ρ為介質(zhì)密度;u為介質(zhì)流速;p為微元體上靜壓力;τij為應(yīng)力張量;gi和Fi分別為i方向的重力和外部體積力，同時(shí)Fi包含源項(xiàng)。

2.1.2 靜應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算理論

靜應(yīng)力場(chǎng)主要計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，因此采用流體引起固體振動(dòng)和位移的控制方程為

(4)

式中：M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;t為時(shí)間;r為結(jié)構(gòu)變形;τ為結(jié)構(gòu)應(yīng)力;下標(biāo)s為固體。

2.1.3 流固耦合計(jì)算理論

流固耦合系統(tǒng)也滿足最基本的守恒原則，在耦合面處流體與固體的應(yīng)力τ、位移d、熱流量q和溫度T等變量相等或守恒。其理論方程如下

(5)

式中：下標(biāo)f代表流體;下標(biāo)s代表固體。

2.2 流場(chǎng)模擬計(jì)算

2.2.1 流場(chǎng)內(nèi)流道建立及網(wǎng)格劃分

利用ANSYS軟件DM模塊對(duì)大口徑三偏心金屬硬密封蝶閥進(jìn)行流道抽取，然后導(dǎo)入ANSYS ICEM CFD模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此采用混合網(wǎng)格的方法來(lái)劃分網(wǎng)格，兩端圓管部分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，中間閥門部分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

2.2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence verification

由表2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從143萬(wàn)增加到175萬(wàn)時(shí)，進(jìn)口質(zhì)量流量增大了1.3%，出口平均流速增大了1.8%；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從175萬(wàn)增加到209萬(wàn)時(shí)，進(jìn)口質(zhì)量流量增大了0.05%，出口平均流速減小了0.2%。由此可知，隨著網(wǎng)格數(shù)的逐漸增大，進(jìn)口質(zhì)量流量的變化可以忽略不計(jì)，說(shuō)明了網(wǎng)格對(duì)模擬計(jì)算沒(méi)有影響，而為了考慮計(jì)算精度和計(jì)算資源，因此采用175萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)來(lái)計(jì)算。其他開(kāi)度的網(wǎng)格生成方法和50%開(kāi)度網(wǎng)格生成方法一樣，網(wǎng)格數(shù)也在175萬(wàn)左右。

2.2.3 流場(chǎng)設(shè)置及結(jié)果討論

利用ANSYS軟件中的Fluent模塊來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算分析，設(shè)置壓力進(jìn)口和壓力出口為邊界條件，壁面設(shè)置光滑無(wú)滑移，殘差曲線精度設(shè)置為10-4。計(jì)算得出了5%、15%、30%、50%、75%和100%開(kāi)度下的穩(wěn)態(tài)流線云圖。如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)流線云圖Fig.2 Steady streamline nephogram

由圖2可知，當(dāng)三偏心金屬硬密封蝶閥處于5%開(kāi)度時(shí)，閥板左端上下部分有形成漩渦的趨勢(shì)，而閥板右端流線呈螺旋狀分布，流動(dòng)情況比較紊亂；當(dāng)?shù)y處于15%開(kāi)度時(shí)，通過(guò)觀察流體流線的動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)方式發(fā)現(xiàn)閥板右端形成了一個(gè)巨大的漩渦，由碟板處出發(fā)，繞了一個(gè)圓周重新回到碟板處，然后再流向出口，流動(dòng)狀況比較紊亂；當(dāng)?shù)y處于30%開(kāi)度時(shí)，閥板右端中線處有雜亂的旋繞流動(dòng)，漩渦開(kāi)始減少；當(dāng)?shù)y處于50%開(kāi)度時(shí)，閥板右端出現(xiàn)少量的漩渦，然后流體流動(dòng)開(kāi)始趨于平穩(wěn)；當(dāng)?shù)y處于75%開(kāi)度時(shí)，閥板右端能明顯看出流體呈現(xiàn)交叉繞流，然后趨于平穩(wěn)；當(dāng)?shù)y處于全開(kāi)時(shí)，閥板右端中線部分流動(dòng)比較平穩(wěn)，上下部分出現(xiàn)少量的紊亂流動(dòng)。從這些流線圖可以直觀明顯的看出流體在流過(guò)閥板時(shí)會(huì)產(chǎn)生漩渦，并且隨著開(kāi)度的增大，漩渦會(huì)減少，最終消失，并且流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)趨于穩(wěn)定。

2.3 靜應(yīng)力場(chǎng)模擬分析及結(jié)果討論

利用ANSYS軟件的static structural模塊來(lái)進(jìn)行靜應(yīng)力場(chǎng)分析，首先設(shè)置材料的性能等參數(shù)，然后通過(guò)mesh模塊來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)兩端圓管部分采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方法劃分，中間閥門部分采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的方法來(lái)劃分網(wǎng)格，通過(guò)控制網(wǎng)格的大小來(lái)對(duì)閥板和閥桿進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分，以提高其網(wǎng)格精度。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格數(shù)為598 866，節(jié)點(diǎn)數(shù)為949 220。此時(shí)把流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入靜應(yīng)力場(chǎng)的setup模塊中，然后進(jìn)行固定約束設(shè)置等操作，求解后得出不同開(kāi)度下的變形云圖和等效應(yīng)力云圖。當(dāng)閥門處于5%開(kāi)度和15%開(kāi)度時(shí)，閥板和閥桿的變形云圖和等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 閥板和閥桿的變形云圖和等效應(yīng)力云圖Fig.3 Deformation nephogram and equivalent stress nephogram of valve plate and valve stem

從圖3中可以看出，在5%開(kāi)度下，閥門的最大變形主要集中在閥板開(kāi)啟的一端，最大變形量為0.75 mm，造成這樣的原因是因?yàn)樵陂y門剛開(kāi)啟的時(shí)候，小開(kāi)度的情況下，閥板開(kāi)啟的一端會(huì)承受流體較大的壓差，所以會(huì)導(dǎo)致閥板開(kāi)啟的一端出現(xiàn)較大的變形。而閥門的最大應(yīng)力主要集中在靠近閥桿上端的閥板處，最大應(yīng)力值為184 MPa。造成這樣的情況是因?yàn)樵陂y板開(kāi)啟的過(guò)程中，閥板的上端面與閥座在開(kāi)啟的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的刮擦現(xiàn)象，所以會(huì)導(dǎo)致那個(gè)部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力。在15%開(kāi)度下，閥門的最大變形還是集中在開(kāi)啟的一端，最大變形量為1.03 mm，造成這樣的原因是因?yàn)殡S著閥門開(kāi)度的逐漸增大，閥門開(kāi)啟的一端所承受的流體沖擊力逐漸變大，相對(duì)應(yīng)變形也會(huì)變大。而閥門的最大應(yīng)力主要集中在閥桿的下端處，最大應(yīng)力值為294 MPa。造成這樣的原因是隨著閥門開(kāi)度逐漸增大的過(guò)程中，在開(kāi)啟一端閥桿和閥板的下端處，由于流速面積由小變大，流速由最大變小，閥桿的底部承受了較大的壓差，所以才會(huì)出現(xiàn)這樣應(yīng)力集中的分布狀況。

此外，為了反映閥門不同開(kāi)度時(shí)的變形和應(yīng)力情況，將閥板和閥桿的最大應(yīng)力和最大變形數(shù)據(jù)繪制成相關(guān)曲線，分別如圖4和圖5所示。

近年來(lái)，全球的制造業(yè)正在邁向數(shù)字化時(shí)代。數(shù)字化進(jìn)程正在改變產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)：從研發(fā)、供應(yīng)鏈、工廠運(yùn)營(yíng)到營(yíng)銷、銷售和服務(wù)。生產(chǎn)商、消費(fèi)者以及工業(yè)實(shí)物資產(chǎn)之間的數(shù)字化鏈接將釋放出巨大的價(jià)值，并徹底刷新制造業(yè)的版圖。面對(duì)這一轉(zhuǎn)變，越來(lái)越多的公司進(jìn)行IT和OT的融合，通過(guò)設(shè)備、人與服務(wù)的互聯(lián)互通，將傳統(tǒng)的工廠升級(jí)為數(shù)字化工廠，從研發(fā)，到制造，再到后期運(yùn)維，甚至是產(chǎn)品都能做到可視化，讓制造過(guò)程透明化。未來(lái)制造企業(yè)的數(shù)字化工廠要包含三部分：一是智能化的生產(chǎn)過(guò)程；二是智能化的倉(cāng)儲(chǔ)物流；三是智能加工中心的生產(chǎn)線。與此同時(shí)，自動(dòng)化企業(yè)也相繼在進(jìn)行向數(shù)字化工廠的轉(zhuǎn)變。

從圖4可以看出，5%開(kāi)度時(shí)，最大等效應(yīng)力值為185 MPa，是所有開(kāi)度中的最低值；75%開(kāi)度時(shí)，最大等效應(yīng)力值為761 MPa，是所有開(kāi)度中的最高值。從全關(guān)到全開(kāi)時(shí)，隨著開(kāi)度的逐漸增大，最大等效應(yīng)力逐漸增大，在75%開(kāi)度時(shí)達(dá)到最大，然后再隨著開(kāi)度的增大，最大等效應(yīng)力開(kāi)始逐漸減小。從圖5可以看出，最大軸向變形的范圍在0.5～3 mm，75%開(kāi)度時(shí)，軸向最大變形最大，變形量為2.85 mm；全開(kāi)時(shí)，軸向最大變形最小，變形量為0.7 mm。從全關(guān)到全開(kāi)時(shí)，隨著開(kāi)度的逐漸增大，軸向最大變形開(kāi)始逐漸增大，到75%開(kāi)度時(shí)變形量達(dá)到最大，然后變形量開(kāi)始隨著開(kāi)度的增大而減小。造成上述情況的原因是因?yàn)椋S著開(kāi)度的不同，閥板和閥桿周圍流體流動(dòng)的區(qū)域、流速不同，所以才會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。圖4和圖5表明，閥板和閥桿在75%開(kāi)度時(shí)，最大等效應(yīng)力和軸向最大變形達(dá)到最大值，為了減小閥板和閥桿的應(yīng)力和變形，應(yīng)盡量少在75%開(kāi)度下運(yùn)行。

圖4 最大等效應(yīng)力曲線圖Fig.4 Maximum equivalent stress curve

3 共振特性分析

利用模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，而利用諧響應(yīng)分析可以得到響應(yīng)值對(duì)應(yīng)頻率的曲線，可以有效的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力學(xué)特征。本文只考慮了閥板和閥桿在流固耦合的物理場(chǎng)情況下，利用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析得出其固有頻率，和通過(guò)計(jì)算流體流過(guò)閥板時(shí)的脫落渦頻率，當(dāng)兩者頻率接近時(shí)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。并且利用諧響應(yīng)分析來(lái)得到其頻率對(duì)應(yīng)響應(yīng)值的曲線來(lái)研究閥門的共振特性。

3.1 模態(tài)分析

3.1.1 模態(tài)分析理論

一般情況下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)，只考慮空載的情況下，而有些結(jié)構(gòu)需要在一些耦合場(chǎng)下工作，因此其振動(dòng)模態(tài)要考慮這些耦合場(chǎng)下一些載荷的影響。振動(dòng)模態(tài)的理論方程為

(6)

式中:ωi為振動(dòng)頻率;φi為模態(tài);[K]為剛度矩陣;[M]為質(zhì)量矩陣。

3.1.2 固有頻率求解及分析

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算求解，得到了5%開(kāi)度和15%開(kāi)度的前兩階振型圖，如圖6所示。

圖6 5%開(kāi)度和15%開(kāi)度前兩階振型圖Fig.6 The first two mode shapes of 5% opening and 15% opening

從圖6中可以看出，當(dāng)閥門位于5%開(kāi)度時(shí)，閥板和閥桿一階模態(tài)的最大變形量為0.146 04 mm，最小變形量為0.140 57 mm，而閥板和閥桿的二階模態(tài)的最大變形量為0.143 68 mm，最小變形量為0.138 26 mm。當(dāng)閥門開(kāi)度位于15%開(kāi)度時(shí)，閥板和閥桿的一階模態(tài)的最大變形量為0.147 78 mm，最小變形量為0.140 13 mm，而閥板和閥桿的二階模態(tài)的最大變形量為0.144 66 mm，最小變形量為0.137 56 mm。一階模態(tài)量與二階模態(tài)變形量差距不大，可能與流體在結(jié)構(gòu)上的作用力大小有關(guān)。而其他開(kāi)度下的振型模態(tài)與5%開(kāi)度和15%開(kāi)度下的振型模態(tài)類似。

為了反映閥門不同開(kāi)度下閥板和閥桿的振動(dòng)模態(tài)最大變形量和最小變形量之間的關(guān)系，列出了各個(gè)閥門開(kāi)度下前兩階的模態(tài)變形量，如表3所示。

表3 不同開(kāi)度下前兩階的振動(dòng)模態(tài)變形量Tab.3 Modal deformation of the first two steps under different opening

從表3中可以看出，隨著閥門開(kāi)度的逐漸增大，閥板和閥桿的前兩階最大變形量開(kāi)始逐漸增大，而閥板和閥桿的前兩階最小變形量開(kāi)始逐漸減小。同一開(kāi)度下，一階的振動(dòng)模態(tài)最大、最小變形量大于二階振動(dòng)模態(tài)的最大、最小變形量。當(dāng)閥門位于5%開(kāi)度時(shí)，一階振動(dòng)模態(tài)最大變形量達(dá)到最小值0.146 04 mm和最小變形量達(dá)到最大值0.140 57 mm；閥門位于全開(kāi)時(shí)，一階振動(dòng)模態(tài)最大變形量達(dá)到最大值0.156 85 mm和最小變形量達(dá)到最小值0.131 69 mm。造成上述情況的原因是隨著閥門開(kāi)度的變化，流體流過(guò)閥板和閥桿時(shí)，閥板周圍的流動(dòng)狀態(tài)不同，流速也不同，脫落渦的運(yùn)動(dòng)方式也不同。當(dāng)處于小開(kāi)度時(shí)，閥板下端的流速面積小，流速快，壓強(qiáng)小，脫落渦逐漸形成，渦的脫落對(duì)于閥板的下端處撞擊較小，而閥板的結(jié)構(gòu)是中間厚，邊緣薄，因此最大變形量出現(xiàn)在閥板的邊緣處，相應(yīng)的最大變形量也會(huì)較小；而隨著閥門開(kāi)度的逐漸增大至全開(kāi)時(shí)，流體的流速面積逐漸增大，閥板的下端位置流速低于閥板兩側(cè)的流速，此時(shí)閥板下端會(huì)產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)，因此全開(kāi)的時(shí)候下端處的最大變形量會(huì)達(dá)到最大。

同時(shí)，為了能夠更清楚的顯示閥門開(kāi)度和固有頻率等數(shù)據(jù)的關(guān)系，列出了前六階不同開(kāi)度下的固有頻率，如表4所示。

表4 不同開(kāi)度下前六階固有頻率Tab.4 The first six natural frequencies under different opening degrees

從表4可以看出，當(dāng)閥門位于5%開(kāi)度時(shí)，一階模態(tài)的固有頻率是最大的，而隨著開(kāi)度的逐漸增大，一階模態(tài)的固有頻率都是一樣的。而同一開(kāi)度下隨著模態(tài)階數(shù)的增加，固有頻率是逐漸增大的。此外，隨著開(kāi)度的逐漸增加，五階模態(tài)的固有頻率是逐漸增大的，而其他階模態(tài)頻率相對(duì)是減小的。造成上述情況的原因是隨著閥門開(kāi)度的變化，流體流過(guò)閥板和閥桿時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，此時(shí)形成的脫落渦的位置相應(yīng)也會(huì)發(fā)生改變，渦的脫落作用在閥板和閥桿的位置就會(huì)發(fā)生變化，從而出現(xiàn)這樣的情況。

3.2 卡門渦理論及脫落渦頻率計(jì)算

當(dāng)來(lái)流繞過(guò)某些物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過(guò)非線性作用后，形成卡門渦街。卡門渦的渦脫頻率與物體形狀，來(lái)流速度，物體幾何特征尺度有關(guān)[10]，當(dāng)渦脫頻率與蝶板的固有頻率接近時(shí)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，需要求得卡門渦的脫落頻率。根據(jù)卡門渦的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[11]計(jì)算出脫落渦頻率Fk。其公式為

(7)

式中:Fk為卡門渦脫落頻率(Hz);St為斯特羅哈數(shù);ν為流經(jīng)閥板的水流速度(m/s);T為出水邊厚度(m)。

對(duì)于44 mm厚的閥板，流經(jīng)閥板的水流速度會(huì)隨閥門開(kāi)度的變化而變化，而斯托羅哈數(shù)僅與Re有關(guān)。雷諾數(shù)的計(jì)算公式為

(8)

式中:ρ為流體密度(kg/m3);ν為流體平均流速(m/s);d為管公稱直徑(m);μ為流體動(dòng)力黏度(Pa·s)。

根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式可以求出不同開(kāi)度下相對(duì)應(yīng)的斯托羅哈數(shù)，根據(jù)式(7)代入數(shù)據(jù)可以得出脫落渦頻率。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了5%、15%、30%、40%、50%、60%、70%、75%和100%開(kāi)度下的脫落渦頻率，把不同開(kāi)度下計(jì)算出來(lái)的脫落渦頻率與模擬出來(lái)的模態(tài)頻率數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖7所示。

圖7 不同開(kāi)度下閥板和閥桿的脫落渦頻率計(jì)算值與模態(tài)頻率模擬值對(duì)比曲線圖Fig.7 Comparison between calculated value of vortex frequency and simulated value of modal frequency of valve plate and valve stem under different opening

通過(guò)圖7可知，當(dāng)閥門位于5%和15%開(kāi)度時(shí)，模擬值與計(jì)算值差距較大，不會(huì)發(fā)生共振；而當(dāng)閥門位于30%開(kāi)度時(shí)，一、二階模態(tài)值與計(jì)算值相近，閥板和閥桿可能會(huì)發(fā)生共振；當(dāng)閥門位于50%開(kāi)度時(shí)，三、四階模態(tài)值與計(jì)算值基本重合，閥板和閥桿會(huì)發(fā)生共振；當(dāng)閥門位于75%和100%開(kāi)度時(shí)，計(jì)算值分別與其六階模態(tài)值和十四階模態(tài)值有些差距，發(fā)生共振的可能性很小。

3.4 諧響應(yīng)分析

利用workbench模態(tài)疊加法進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，設(shè)定其頻率求解范圍為0～100 Hz，運(yùn)算次數(shù)為“100”，即每隔1 Hz求解一次。對(duì)閥板和閥桿軸向施加2 MPa的壓力為簡(jiǎn)諧激振力，設(shè)置閥板和閥桿為響應(yīng)體，得到了30%開(kāi)度和50%開(kāi)度下閥板和閥桿的位移響應(yīng)-頻率曲線，分別如圖8(a)和(b)所示。

(a) 30%開(kāi)度位移響應(yīng)-頻率曲線

分析圖8位移響應(yīng)-頻率曲線可知：當(dāng)閥門位于30%開(kāi)度和50%開(kāi)度時(shí)，在18 Hz和43 Hz附近處出現(xiàn)兩個(gè)波峰，其剛好對(duì)應(yīng)兩個(gè)開(kāi)度下前四階的固有頻率分布位置。此時(shí)，閥門會(huì)出現(xiàn)共振，響應(yīng)幅值最大。其符合了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征，同時(shí)也驗(yàn)證了對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過(guò)圖8還可以看出，閥門在30%開(kāi)度時(shí)，頻率位于18 Hz處，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，振幅最大為0.15 mm；閥門在50%開(kāi)度時(shí)，頻率位于43 Hz處，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，振幅為0.22 mm。從這可以驗(yàn)證上述脫落渦頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)生共振結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)文獻(xiàn)[8]可知，前人用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果接近，也側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，可以認(rèn)為本論文的研究具有可靠性。而為了避免閥板和閥桿因共振現(xiàn)象而出現(xiàn)損壞，影響其運(yùn)轉(zhuǎn)，閥門工作時(shí)應(yīng)該避免在這兩個(gè)開(kāi)度下，其相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)工作。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)大口徑三偏心金屬硬密封蝶閥，運(yùn)用ANSYS數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算對(duì)比的方法，研究了其多物理場(chǎng)耦合和共振特性，從而得出以下結(jié)論：

(1) 在多物理場(chǎng)耦合下，閥門開(kāi)度的變化影響著閥板和閥桿的應(yīng)力和變形，并在75%開(kāi)度時(shí)達(dá)到最大值。為了減小閥板和閥桿的應(yīng)力和變形，閥門應(yīng)該減少在75%開(kāi)度下運(yùn)行。

(2) 通過(guò)對(duì)大口徑三偏心金屬硬密封蝶閥在多物理場(chǎng)耦合下進(jìn)行模態(tài)分析，得出其不同開(kāi)度下的固有頻率和振型。并通過(guò)計(jì)算不同開(kāi)度下的卡門渦脫落頻率，對(duì)比分析在30%和50%開(kāi)度時(shí)，可能會(huì)發(fā)生共振。

(3) 通過(guò)諧響應(yīng)分析得出當(dāng)激振頻率達(dá)到18 Hz和43 Hz時(shí)，閥門在30%開(kāi)度和50%開(kāi)度時(shí)，閥板和閥桿會(huì)發(fā)生共振。同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算的準(zhǔn)確性。

(4) 為了避免共振的發(fā)生，損壞閥板和閥桿，應(yīng)越過(guò)30%開(kāi)度和50%開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的頻率工作。而對(duì)于共振特性的研究也為后續(xù)對(duì)閥板和閥桿的優(yōu)化提供了一定的理論基礎(chǔ)。