鈦材球閥靜力有限元分析★

谷帥坤,張宇航,付延河,趙龍龍,雷楊勇,賈 開,李長鑫

(1.西安泵閥總廠有限公司,陜西 西安 710049； 2.西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院,陜西 西安 710049)

0 引言

球閥具有耐磨損、密封性良好、開關(guān)輕、使用壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于石油、工業(yè)管道、化工、造紙、航空、水利、電氣、船舶等行業(yè)。鈦及鈦合金具有強度高、質(zhì)地輕、耐腐蝕性好、化學性質(zhì)活躍、耐低溫、可塑性好等優(yōu)異性能，其耐腐蝕性在海水中尤其突出。鈦的耐腐蝕性比常用的不銹鋼強15倍,使用壽命比不銹鋼長10倍以上，在海水中的腐蝕率趨近于零，是海洋環(huán)境的優(yōu)質(zhì)材料[1]。因此，鈦合金在船用球閥上的應(yīng)用可以有效地改進球閥的耐久性，提高可靠性，減少維修成本。由于海上環(huán)境復雜，閥門在使用的過程中不僅要承受流體介質(zhì)的壓力，還要承受管道傳來的拉彎應(yīng)力。同時，艦船行駛過程中由于傾斜、搖擺等情況也有可能會對閥門造成影響。如果閥門強度不夠，密封性能不良，造成殼體開裂或者介質(zhì)泄露等情況，會對其應(yīng)用產(chǎn)生巨大的影響。所以，分析閥門結(jié)構(gòu)的安全性有著重要的作用。本文對一種主體材料為TA31鍛件的DN65浮動式球閥通過有限元分析軟件Abaqus進行殼體的強度分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷球閥是否滿足要求，也為球閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 殼體強度分析

1.1 球閥結(jié)構(gòu)

本文研究的對象為公稱直徑65 mm的浮動式鈦合金球閥。球閥的主要結(jié)構(gòu)包括左右閥體、球體、閥座組件、閥桿、橡膠O形圈、連接緊固件等。通過轉(zhuǎn)動手輪帶動閥桿轉(zhuǎn)動，從而使球閥繞閥桿軸線轉(zhuǎn)動90°，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉(見圖1)。

閥座為活塞式結(jié)構(gòu)，在閥體兩個同軸的座孔內(nèi)各安裝一個閥座。閥座底部設(shè)置了O型圈[2]。初始狀態(tài)下，閥座受到O型圈壓縮產(chǎn)生的彈力，與球體緊密接觸，密封座表面產(chǎn)生塑性變形，從而在較小的壓差條件下實現(xiàn)密封的效果。球閥關(guān)閉狀態(tài)下，受O型圈壓縮產(chǎn)生的彈力和介質(zhì)力的共同作用，球體沿管道軸線方向位移，與出口端閥座緊密接觸，實現(xiàn)良好的密封效果。由于兩端都安裝了閥座，反向加壓同樣能保證密封性，實現(xiàn)雙向密封的效果。

1.2 有限元分析

1)實體模型。

根據(jù)閥門尺寸，利用Ansa軟件對閥門主體結(jié)構(gòu)建立仿真模型，并劃分網(wǎng)格，導入Abaqus有限元分析軟件進行分析。建立模型時，考慮到球閥所受的荷載主要集中在管道內(nèi)部和法蘭等部位，為了簡化模型方便計算，忽略手動執(zhí)行器、閥桿填料等部件，所建立的仿真模型如圖2所示。閥門網(wǎng)格劃分細致，整個仿真模型共劃分了861 043個單元，其中主要部件網(wǎng)格大小為2 mm～4 mm，較小部件(螺母、墊片等)和一些倒角部位網(wǎng)格大小為1 mm～2 mm。

2)相互作用。

Abaqus中的接觸屬性主要分為法向接觸屬性和切向接觸屬性兩種。

法向接觸屬性用于定義接觸面法向作用力的大小，分為“硬”接觸和“軟”接觸兩種。“硬”接觸在原則上不允許接觸對之間互相穿透，即當接觸面之間的接觸壓力變?yōu)?或負值時，兩個接觸面分離開來，同時解除相應(yīng)節(jié)點上的接觸約束。除“硬”接觸外的其余法向接觸為“軟”接觸，可允許接觸面之間產(chǎn)生穿透行為，其穿透大小取決于接觸參數(shù)的確定。

切向接觸屬性用于定義接觸面間的摩擦行為，分為無摩擦和有摩擦兩類。無摩擦即不考慮接觸面的相對摩擦行為，摩擦系數(shù)為0。有摩擦則通過庫侖定律計算，所得的摩擦力大小即為接觸界面允許滑動的最大剪應(yīng)力。

根據(jù)摩擦系數(shù)μ的取值和應(yīng)用場景不同，摩擦接觸分為“罰”“靜動摩擦指數(shù)衰減”“粗糙”“拉格朗日乘子”。

本文中，球體和閥座密封圈之間采用彈性接觸。接觸屬性為：切向行為采用“罰函數(shù)法”作為摩擦公式，摩擦系數(shù)為0.35。法向行為采用“硬”接觸。螺柱與右閥體螺孔之間采用彈性接觸。接觸屬性為：切向行為為“粗糙”。法向行為采用“硬”接觸。

3)材料屬性。

球閥左右閥體、球體、閥座支撐環(huán)采用鈦合金TA31，螺柱、六角螺母、墊圈采用鈦合金TC4，纏繞墊采用鈦合金TA2，閥座密封圈采用聚四氟乙烯PTFE。鈦合金密度4.5 g/mm3，泊松比0.32，楊氏模量105 000 MPa；聚四氟乙烯密度2.2,泊松比0.45，楊氏模量500 MPa[3]。

4)本構(gòu)關(guān)系。

鈦合金作為金屬材料，采用的彈性本構(gòu)模型為Isotropic(各向同性材料)模型。

5)分析步與荷載。

球閥有兩種工作狀態(tài)，即開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。這兩種狀態(tài)下，介質(zhì)產(chǎn)生的壓力是不同的，需要分開考慮。

在球閥開啟狀態(tài)下，球閥左右閥體的管道內(nèi)壁以及球體內(nèi)壁主要受到介質(zhì)產(chǎn)生的壓力。

球閥在關(guān)閉狀態(tài)下，管道拉彎應(yīng)力與開啟狀態(tài)相同，但介質(zhì)壓力僅作用于入口端閥體的管道內(nèi)壁和球體的外壁，出口端閥體內(nèi)壁不受介質(zhì)的壓力。

球閥工作壓力4.8 MPa，試驗壓力取1.5倍的工作壓力，即7.2 MPa的介質(zhì)壓力。管道拉伸荷載為15 919 N，彎矩7.78×105N·mm，彎矩方向為自上而下逆時針方向。邊界條件選擇完全固定右閥座的右端法蘭端面。

球閥開啟狀態(tài)下的Abaqus有限元分析，需建立3個分析步，依次施加管道拉伸力、管道彎矩和介質(zhì)壓力。球閥關(guān)閉狀態(tài)下設(shè)計4個分析步，前3個分析步的設(shè)置與開啟狀態(tài)一致，第4個分析步用于施加作用在球體外部一側(cè)的介質(zhì)推力。分析步均采用“靜力、通用”類型。

6)分析結(jié)果與結(jié)論。

球閥開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖3～圖6所示。

有限元分析結(jié)果：

球閥開啟狀態(tài)下，左閥體最大等效應(yīng)力66.04 MPa，位于左法蘭和管道的變截面處；最大位移0.180 mm，位于左法蘭頂端。右閥體最大等效應(yīng)力36.99 MPa，位于右法蘭和管道的變截面處；最大位移0.047 mm，集中分布在右閥體的左上方。球體最大等效應(yīng)力35.91 MPa，分布在球體左右兩端與閥座的連接處；最大位移0.036 mm，位于球體左下方。閥座最大等效應(yīng)力64.08 MPa，位于閥座支撐環(huán)與密封圈的接觸處。閥桿最大等效應(yīng)力43.78 MPa，應(yīng)力集中分布在閥桿與球體接觸的部位；最大位移0.060 mm，位于閥桿上端。螺柱最大等效應(yīng)力60.46 MPa，應(yīng)力集中分布于螺柱中部；最大位移0.044 mm。

球閥關(guān)閉狀態(tài)下，左閥體最大等效應(yīng)力66.93 MPa，位于左法蘭和管道的變截面處；最大位移0.115 mm，位于左法蘭頂端。右閥體最大等效應(yīng)力13.80 MPa，位于閥座與閥體的接觸面上；最大位移0.002 mm，與最大應(yīng)力分布保持一致。球體最大等效應(yīng)力25.18 MPa，位于受介質(zhì)推力表面；最大位移0.053 mm，與最大應(yīng)力分布保持一致。閥座最大等效應(yīng)力57.75 MPa，位于閥座支撐環(huán)邊緣；最大位移0.049 mm，位于密封圈表面。閥桿最大等效應(yīng)力53.76 MPa，應(yīng)力集中分布在閥桿與球體接觸的部位；最大位移0.037 mm，位于閥桿上端。螺柱最大等效應(yīng)力35.17 MPa；最大位移0.009 mm。

結(jié)論:

1)球閥左右閥體、球體的最大等效應(yīng)力為66.93 MPa，小于鈦合金TA31的許用應(yīng)力219.25 MPa；閥桿、螺柱最大等效應(yīng)力60.46 MPa，小于鈦合金TC4的許用應(yīng)力[4]223.75 MPa。說明殼體本身是符合強度要求的。

2)球閥最大位移0.180 mm，材料塑性變形小，剛度也滿足要求。

綜上所述，球閥整體滿足強度設(shè)計要求，安全系數(shù)較高，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，可以考慮適當降低壁厚的方式減少設(shè)計成本。同時，需注意閥體的法蘭和管道變截面處的應(yīng)力集中。

2 傾斜、搖擺、高低溫工況分析

2.1 傾斜與搖擺分析

根據(jù)GJB 150.23—1991軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法、傾斜和搖擺試驗，凡在傾斜和搖擺狀態(tài)下，性能受到影響或結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)運動、液態(tài)介質(zhì)、重力不平衡系統(tǒng)的軍用設(shè)備應(yīng)進行傾斜和搖擺試驗。其中傾斜試驗的嚴酷度由傾斜角和試驗持續(xù)時間兩個參數(shù)確定，搖擺試驗的嚴酷度由搖擺角度、周期和試驗持續(xù)時間三個參數(shù)確定。

球閥的傾斜、搖擺工況如表1所示。

表1 傾斜、搖擺工況

傾斜工況下，球閥的重力方向發(fā)生改變。橫傾工況下，閥體模型ox軸水平，中縱剖面與鉛垂面成15°方向為重力荷載的方向。縱傾工況下，閥體模型oy軸水平，中縱剖面與鉛垂面成10°方向為重力荷載的方向。

實際的搖擺試驗是在試驗臺上進行的，搖擺工況下，球閥隨試驗臺的擺動產(chǎn)生慣性力。橫搖工況：角度45°，周期3 s～14 s，搖擺軸線為100 mm。球閥在橫搖周期為3 s時搖擺最劇烈，此時角速度為0.33，加速度0.11 m/s2，僅為重力加速度的1%。縱搖工況：角度15°，周期4 s～10 s，搖擺軸線為球閥中軸線0.01 m/s2。周期4 s時縱搖最劇烈，此時角速度0.26，加速度0.01 m/s2，為重力加速度的0.1%。

通過分析可知，球閥的傾斜工況僅僅改變了重力荷載的方向，搖擺工況對閥體的影響遠低于重力荷載。

由于搖擺工況產(chǎn)生的加速度過小，本文只考慮傾斜工況下重力方向改變對球閥應(yīng)力的分布情況。

球閥橫傾和縱傾工況下的應(yīng)力云圖見圖7～圖10。

橫傾和縱傾工況下，球閥最大應(yīng)力為66.06 MPa，位于左閥體的左法蘭端面；僅施加重力荷載的情況下，球閥最大應(yīng)力為0.36 MPa，位于連接左右法蘭的螺柱處。重力荷載對球閥應(yīng)力的影響僅為0.6%。

進一步選擇各個構(gòu)件在傾斜工況下僅考慮重力荷載下的應(yīng)力云圖進行詳細分析，如圖11～圖16所示。

在縱傾和橫傾工況下，左閥體的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在左閥體右法蘭和管道的變截面處，但具體位置有所不同。縱傾工況下左閥體最大等效應(yīng)力9.213×10-2MPa，位于右法蘭和管道變截面處，在管道上部區(qū)域，最大等效位移2.637×10-4mm，位于左法蘭上端；橫傾工況下左閥體最大等效應(yīng)力9.213×10-2MPa，位于右法蘭和管道變截面處，在管道下部區(qū)域，最大等效位移2.621×10-4mm，位于左法蘭下端。根據(jù)第二節(jié)的分析結(jié)果，左閥體最大等效應(yīng)力66.04 MPa，位于左法蘭和管道的變截面處，最大位移0.180 mm，位于左法蘭頂端；傾斜工況下，左閥體最大應(yīng)力僅占其0.1%。最大位移僅占0.15%。

在縱傾和橫傾工況下，右閥體最大應(yīng)力出現(xiàn)在左法蘭上部變截面處，不同工況下的最大應(yīng)力位置亦不相同。縱傾工況下右閥體最大等效應(yīng)力3.428×10-1MPa，位于左法蘭上部內(nèi)側(cè)變截面處，最大等效位移1.353×10-4mm，位于右閥體上端；橫傾工況下右閥體最大等效應(yīng)力2.976×10-1MPa，位于左法蘭上部外側(cè)變截面處，最大等效位移1.308×10-4mm，位于右閥體上端。根據(jù)第二節(jié)的分析結(jié)果，右閥體最大等效應(yīng)力36.99 MPa，位于右法蘭和管道的變截面處；最大位移0.047 mm，集中分布在右閥體的左上方。傾斜工況下，右閥體最大應(yīng)力僅占其0.93%，最大位移僅占0.28%。

在縱傾和橫傾工況下，螺柱最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺柱中部，沿螺柱軸向方向的應(yīng)力分布大致相同，沿螺柱周向方向的應(yīng)力分布略有差異。縱傾工況下，螺柱最大等效應(yīng)力3.624×10-1MPa，位于螺柱中部，最大等效位移2.052×10-4mm，位于螺柱端部；橫傾工況下，螺柱最大等效應(yīng)力3.646×10-1MPa，位于螺柱中部，最大等效位移2.004×10-4mm，位于螺柱端部。根據(jù)殼體強度分析結(jié)果，螺柱最大等效應(yīng)力60.46 MPa，應(yīng)力集中分布于螺柱中部；最大位移0.044 mm。傾斜工況下，螺柱最大等效應(yīng)力僅占0.6%，最大等效位移僅占0.46%。

根據(jù)上述分析可知，傾斜工況下，隨著重力方向的改變，球閥各個構(gòu)件的應(yīng)力分布發(fā)生變化，但最大應(yīng)力、最大位移的大小并不會發(fā)生太大的變化。同時，重力荷載對球閥各個構(gòu)件的影響都很小，可忽略不計。在后續(xù)的分析中，對強度高、密度小、受到的外荷載較大的金屬構(gòu)件，可不考慮重力荷載對其的影響。

2.2 高、低溫工況分析

球閥高低溫的工況為：高溫試驗溫度60 ℃、低溫試驗溫度5 ℃。

根據(jù)GJB 150.1—86中高(低)溫工作試驗的要求，在進行高溫、低溫工況模擬時，球閥溫度和環(huán)境溫度是一致的，沒有溫差的產(chǎn)生。影響球閥應(yīng)力應(yīng)變的原因只有溫度變化導致的材料性質(zhì)的變化。

根據(jù)線性熱膨脹系數(shù)計算公式：

α=ΔL/(L×ΔT)。

材料單位長度伸長量：

ΔL/L=α×ΔT。

在5 ℃～60 ℃的溫度下，鈦合金材料的線性膨脹系數(shù)為8.8×10-6，代入上述公式，其單位長度伸長量為4.84×10-4。

聚四氟乙烯材料的線膨脹系數(shù)隨溫度變化較大，通過聚四氟乙烯熱膨脹系數(shù)與溫度關(guān)系曲線(見圖17)，利用origin軟件在5 ℃～60 ℃范圍內(nèi)進行面積積分計算，得到其單位長度伸長量為1.16×10-2。

2.3 結(jié)論

傾斜、搖擺工況下，球閥的應(yīng)力情況并沒有明顯的改變。其原因在于鈦材球閥質(zhì)量較輕，強度較大，重力荷載對其影響僅占0.6%，可忽略不計。球閥搖擺時產(chǎn)生的加速度過小，并不會對球閥的受力情況產(chǎn)生顯著影響。進一步地，該結(jié)論可適用于任何材料密度小、強度大，模型受荷大的構(gòu)件，對此類構(gòu)件的分析均可不考慮重力荷載及其方向變化的影響，以達到簡化分析過程，節(jié)約分析時間的目的。

高、低溫工況下，溫度改變量較小。鈦合金的材料性能沒有明顯的變化，對閥體應(yīng)力應(yīng)變分布情況不會造成顯著影響。聚四氟乙烯材料的線膨脹系數(shù)盡管隨溫度的變化具有較大的改變，但根據(jù)面積積分計算可得，其單位伸長量只有0.011 6，在工程應(yīng)用中可以忽略不計。

綜上所述，傾斜搖擺工況對球閥的應(yīng)力分布不會產(chǎn)生顯著影響，可以忽略。高、低溫工況下，若溫差較小且工況溫度接近常溫，溫度的變化對材料的影響也可以忽略。

3 結(jié)語

1)利用Abaqus有限元分析軟件分別對受拉彎荷載和介質(zhì)壓力作用下，啟、閉狀態(tài)的球閥進行靜力分析，得到了球閥啟、閉狀態(tài)下的應(yīng)力云圖和位移云圖。研究結(jié)果表明，該工況下球閥殼體的應(yīng)力、應(yīng)變較小，滿足強度要求和剛度要求且安全系數(shù)較高，可采用減少殼體厚度方式降低生產(chǎn)成本。

2)對傾斜、搖擺工況以及高低溫工況下球閥的應(yīng)力分布進行有限元分析。結(jié)果表明，傾斜工況下，球閥重力荷載方向發(fā)生變化，對球閥的應(yīng)力影響僅占總荷載的0.6%；搖擺工況下，球閥產(chǎn)生的最大慣性加速度僅為重力加速度的1%；高低溫工況下，隨著溫度的改變，球閥單位長度伸長量最大為1.16×10-2。這幾種工況對球閥應(yīng)力分布的影響均較小，可以忽略不計。