基于ANSYS的蝶閥動力學研究

李凱, 陳楊, 周利平, 劉小瑩

（西華大學 機械工程學院，成都610039）

0 引言

閥門作為水電站安全運行的核心部件之一，在水利水電行業起著至關重要的作用。近年來各地地震次數有所增加，特別是我國西南地區水資源豐富,而又是處于地中海—喜馬拉雅地震帶上，地震頻發是西南地區水電站面臨的一大問題，那么考慮進水蝶閥在地震情況下的可靠性至關重要。

本文通過對某型進水蝶閥的固有頻率和振型研究，從而達到在設計中避免因設計產生共振，并預測在不同載荷特征下進水蝶閥結構的振動形式，結合對進水蝶閥的模態分析，對其進行響應譜分析以確定在地震加速度影響下對進水蝶閥的影響。

1 閥門模型及運行環境

水輪機進水蝶閥由閥體、碟板、閥軸、閥座、吊耳等組成，本文基于PN35DN3200蝶閥模型進行仿真分析，參照實際情況利用SolidWorks進行模型創建，考慮計算量去除不影響計算可靠性的螺栓、吊耳等結構，考慮蝶閥整體安全性保留主要結構閥體、碟板、閥軸進行分析，基本參數如表1所示，其模型如圖1所示。

表1 蝶閥基本參數

圖1 蝶閥模型

2 蝶閥結構動力學分析基礎

動力學分析是分析結構慣性和阻尼等重要作用下結構的動力學行為技術的一種分析方式，最具典型的是結構的振動特性分析，利用振動特性分析可以獲得結構的振動頻率、交變載荷激勵效應和結構自振頻率等[1]。

考慮某時刻為靜力平衡的動力學問題的有限元分析平衡方程式[2]為

式中：M、C和K分別是質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；x"、x′和x分別是有限元單元體的加速度矢量、速度矢量和位移矢量；R為外部載荷矢量。

在結構靜定、載荷沖擊較慢的情況下動力學問題可以等同于靜力學問題。但在快速加載、沖擊碰撞的情況下慣性力和阻尼是不可以忽略的，因此動力學分析就尤為重要。

模態分析是分析結構振動特性的一種數值仿真技術，也是最基本的一種動力學分析方法，是其他動力學問題分析的基礎[3]。通過對蝶閥的模態分析可以得到蝶閥的固有頻率和振型，從而在設計過程中避免因設計不合理導致運行中產生共振[4]，并可以預測在不同載荷下蝶閥的振動形式，其動力學控制方程[2]為

因為在地震作用下蝶閥的位移為圓頻率正弦函數，所以考慮其結構的自由振動為簡諧運動，即x=x·sin(ωt)。將結構的運動的位移和加速度矢量代入無阻尼模態分析控制方程可得

計算結構在瞬態激勵下峰值響應的近似算法的分析方式稱為響應譜分析，它是基于模態分析的延伸。響應譜分析的應用場景十分廣泛，其非常重要的應用是建筑領域的地震響應譜分析，所有受到振動荷載的部件都可以利用響應譜分析進行安全校核。在工程應用中，經常要計算所設計系統在沖擊載荷作用下的響應最大值，也就是常說的振動的最大位移或最大加速度[5]。

3 蝶閥動力學分析

考慮進水蝶閥在地震情況下的安全性，需要對其進行響應譜分析。一般而言，當結構一階頻率大于地震截止頻率33 Hz時結構將不存在共振。響應譜分析之前需要進行模態分析，而蝶閥強度壓力分析存在預應力，所以在進行動力學分析之前首先需要進行靜應力分析。ANSYS軟件分析的基本步驟（如圖2）：首先進行靜力學分析，然后將靜力學分析數據導入模態分析，最后將模態分析數據導入諧響應分析中。

圖2 ANSYS分析步驟

3.1 分析基本參數設定

圖3 模型導入

1）導入模型。利用三維建模軟件SolidWorks對蝶閥建模并優化模型，將模型利用Geometry導入，如圖3所示。

2）定義材料。利用靜應力分析中的Engineering Date將零件的各個部件材料參數導入。各部件材料分別是：閥體為Q235A鋼，碟板為QT450-10鋼，閥軸為45鋼。

3）劃分網格。基于網格工作量和分析精度的原因，網格 劃 分 中 設 置Relevance 為100，Relevance center 為Medium，Span Angle Center 為Medium, Smoothing 為Medium，因為蝶閥尺寸達到3200 mm，所以可以將碟板網格尺寸Element size設置為75 mm。將網格參數進行調整最終生成網格節點數為330 737、單元數為189 782、網格質量為0.702 01，網格質量大于0.7符合劃分要求[6]。網格如圖4所示。

4）求解設置。蝶閥法蘭面和底面螺栓孔添加固定約束，限制蝶閥自由度。因為蝶閥一般為豎直放置且受到重力的影響，因此為了模擬真實環境添加模型環境坐標系-Y方向重力加速度。在蝶閥內部來水方向和水接觸面添加壓力，正常工況壓力設置為3.5 MPa。載荷加載約束情況如圖5所示。

圖4 網格劃分

3.2 靜力學后處理

通過后處理計算得到蝶閥的總形變和等效應力的情況。蝶板最大變形發生在蝶板中線，最大變形量為3.3292 mm。等效應力較大位置為密封面，最大等效應力為1024.6 MPa。等效應力遠大于使用環境壓應力，應變相對閥門尺寸過小，通過仿真可知結構設計是安全的。

圖5 約束設置

圖6 總形變

3.3 模態分析

通過關聯后處理計算可以得到蝶閥前6階振型，其中包含每階振型的最大形變和固有頻率，可得到表2所示結果用于接下來的諧響應分析。

圖7 等效應力

表2 模態分析結果

3.4 響應譜分析

為了能夠在響應譜分析中準確考慮到所有顯著影響的振型，一般情況下頻譜曲線頻率范圍應該取得大一些，通過上節模態分析可以提取到需要的主要激活頻率和振型。

因為地震作用下蝶閥受到3個方向的力，因此關聯后添加RS Acceleration加速度頻譜3次，分別為蝶閥X、Y、Z三個方向上的地震加速度頻譜。考慮振型阻尼引起的鄰近振型間的靜態耦合效應, 將模態組合方式更改為CQC。其中X、Z方向的頻譜比例因子為1，Y方向按GB 50011規定豎直方向系數最大值為水平方向的65%，結構阻尼為0.05。輸入頻譜如圖8所示。

圖8 加速度頻譜

通過后處理分析可以得到蝶閥在地震加速度作用下的X、Y、Z方向的位移云圖，即可知蝶閥在各方向上的響應值，云圖如圖9～圖11所示，通過云圖可以知道蝶閥在地震加速度作用下X、Y、Z方向的最大位移分別是4.5642×10-8mm、2.1721×10-8mm、1.3452×10-7mm，在Z方向上受到的影響明顯大于其他方向，應格外注意。

4 結語

圖9 水平X方向位移

圖10 豎直Y方向位移

圖11 水平Z 方向位移

通過分析可以得到PN35DN3200蝶閥的總形變、等效應力、各階頻率和位移，以及在地震加速度作用下蝶閥的各方向位移。可以通過ANSYS Workbench的仿真來分析所設計的閥門的安全性，以及在極端自然災害下對蝶閥的影響。對PN35DN3200蝶閥的分析可以知道，其最大變形量為3.3292 mm，最大等效應力為1024.6 MPa，其1階固有頻率大于地震的截止頻率33 Hz，將不會存在共振[7]。通過對其分析可以得知，其中線處是該蝶閥的安全薄弱點，在將來的設計中可以采取加厚中間筋板的方式加強蝶閥的安全。