球阀的抗弯曲及抗拉压仿真计算分析

球阀仿真计算的有限元分析

作者:荣浩 童继承 苑长忠 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:35 发布时间:2018-05-18
采用有限元分析的数值仿真技术作为管线球阀的辅助设计,可以使我们在设计阶段就对产品的相关性能尽可能多地了解,减少样机制作成本,缩短产品试验周期,大大加快新品研发进程。同时也可以为现有的设计和焊接工艺提供进一步优化的有力论据。
球阀的抗弯曲及抗拉压仿真计算分析

我们对DN600 PN10MP分体式和全焊接两种结构的球阀主要零件进行了分析。产品基本参数:设计压力10MPa,阀体材质A105,螺栓材料35CrMoA,阀杆材质20Cr13。分析主要内容如下:

分体式管线球阀阀体及连接螺栓应力分析

由于阀体具有对称性,为减少计算量提高计算速度,我们取模型的1/4进行分析,施加内压10MPa,圆周24个螺栓将阀体和侧体连接起来。

10MPa内压下螺栓连接内部应力分布

从应力分布看,最大应力位于阀体上下轴孔处,最大应力161MPa,低于阀体材料A105的屈服强度250MPa,阀体强度满足设计要求。

10MPa内压下螺栓连接外面应力分布

从应力分布看,外表面应力在100MPa一下,且应力分布均匀,没有应力集中区。

10MPa内压下螺栓连接处局部放大应力分布

从螺栓连接处局部应力放大图看,连接处应力在60~80MPa左右,远低于螺栓材料的屈服强度。

10MPa内压下螺栓连接时的径向应力分布

从径向应力分布图看,径向最大应力位于法兰根部,最大应力71MPa,低于阀体材料的屈服强度,但存在应力集中区,在设计时可以将法兰根部圆弧加大,减小应力集中。

10MPa内压下螺栓连接时的轴向位移

从轴向位移分析,最大轴线位移位于法兰外圆,最大位移量为0.0147mm,法兰端面密封部变形在0.01mm以下,法兰的变形不会影响连接处的密封性能。

10MPa内压下螺栓连接时的径向位移

从径向移位分析,最大径线位移位于阀体中部,最大位移量为0.098mm,阀体的变形在设计尺寸公差允许范围内,不会影响产品的装配和性能。

10MPa内压下各螺栓的受力表

全焊接阀体管线球阀阀体应力分析

10MPa内压下全焊接时的应力分布

从应力分布看,最大应力位于阀体上下轴孔处,最大应力150MPa,低于阀体材料A105的屈服强度250MPa,阀体强度满足设计要求。

10MPa内压下焊接处应力分布

从焊缝连接处局部应力放大图看,焊缝处根部处应力在100MPa左右,低于阀体材料A105的屈服强度,焊缝处的强度满足设计要求。

10MPa内压下焊接时的轴向位移

从轴向位移分析,最大轴线位移位于阀体内部装配阀座部位,最大位移量为0.065mm,变形在设计允许的尺寸公差范围内,不会影响产品的装配和密封性能。

10MPa内压下焊接时的径向位移

从径向移位分析,最大径线位移位于阀体上轴连接处,最大位移量为0.01mm,阀体的变形在设计尺寸公差允许范围内,不会影响产品的装配和性能。

焊接后的残余变形

从焊接后的变形分析,焊接变形最大值位于焊缝外圆处,变形量为0.023mm,焊缝变形较小,在设计允许范围内。

球阀开启45度的流场分析

球阀进口流量50m3/s,进口压力10Mpa时的压力和流场分布

从压力和流场分析图看,在球体处于半开时,进口端和出口端压力为10MPa左右,说明流体经过球体后,压力几乎没有损失,球阀产品流通性能好。

10MPa压力下球体的径向变形

从球体的径向变形分析,在有流体通过时,球体最大变形部位位于球体下部,最大变形量为0.075mm,变形量均在保证密封需要的尺寸偏差范围内,不会影响产品的密封性能。

球体在流场中表面的压力分布

从球体在流场中表面的压力分布看,球体处于半开时,表面局部压力明显高于其它部位,但从压力数值分析,差值在0.015MPa范围内。

球阀开启45°,流量50 m3/s时阀两端的压力和球体受到的扭矩表

10N.m扭矩作用下的球芯应力分布

从分析结果看,在10N.m扭矩作用下,球体与阀杆接触面受到了挤压应力,最大应力为10.4MPa,远低于材料许用挤压应力125MPa。

快速启闭球阀(<0.5秒)阀杆的动应力分析

球阀在1s内开关各一次时阀杆上的动力矩

从分析结果看,球阀处于关闭状态,开启时力矩最大。分析结果也与实际操作测试结果一至。

最大扭矩造成的动应力

最大扭矩造成的动应力剖切图

从分析结果看,阀门开启过程中,最应力在阀杆与球体的接触部位,应力值为3.3MPa,远低于材料的许用应力,说明该处的设计富裕量较大。

结论

综合分析结果,在10MPa压力下,分体式阀体、螺栓和焊缝处应力低于材料的屈服强度,球体的变形符合设计要求,阀杆强度和动应力符合设计要求,焊接残余变形小于机加工公差,流场分析扭矩及刚度符合设计要求。

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