CN104978456A - 一种通用阀门设计优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通用阀门设计优化方法，步骤为：建立实体模型，并建立相应的有限元模型；进行应力应变分析，根据分析结果判定待优化阀门的安全性能，并判断优化的可能性；建立流道模型进行流场优化；根据流道模型计算雷诺数，根据雷诺数选择分析模型；将分析模型进行网格划分并设置边界条件，进行流场分析；根据速度场和压力场对阀体进行噪声分析，并根据噪声分析结果判断阀体噪声是否合格，若噪声太大则依次对流道结构和阀门腔体进行优化，并重建阀门实体模型，对阀体重新进行应力应变分析；反之完成阀体优化。本发明能大大降低试验成本，并有效缩短实验周期，可以广泛在阀门设计领域中应用。

Description

一种通用阀门设计优化方法

技术领域

本发明涉及一种阀门设计优化方法，特别是关于一种通用阀门设计优化方法。

背景技术

随着制造企业新产品的不断开发，技术更新越来越快，产品的技术含量越来越高。企业为了获得更大的竞争优势不得不加速提高其核心技术的开发与应用，加深产品技术内涵与缩短产品研发周期。为此许多制造企业采用了不同形式的方法进行内部设计和生产的变革。随着信息技术的不断发展，CAD、CAM、CAE、CFD技术已在广大制造企业中大量使用。但是，产品的设计在较大程度上仍然依靠众多设计人员依靠个人经验，来处理海量的设计数据资源。不同领域的设计软件工具和复杂的设计流程，是一个需要经过多个设计阶段逐步细化的、反复的过程，是人员、资源、工具和过程的综合。虽然此类软件、工具已在企业中使用，但设计过程依靠设计人员本身设计经验通过实验来改进产品结构是突出问题。

随着阀门作为特种设备应用于发电、输气、化工等行业，特种设备关键阀门打破国际技术壁垒，阀门进入国产化设计的新阶段。阀门设计完成后经过检测合格投入使用后根据用户的反馈来对阀门进行持续优化，是阀门优化工作的主要方式，整个产品改进周期较长，只是对阀门长期设计提供指导方向；而且阀门设计后的验证性试验可以准确的指出阀门目前存在的问题，但是对阀门的优化不能提供有效的数据支持。但作为特种设备的阀门设计完成后首要工作是做试验来进行验证检测，但是实验过程中数据无法直观采集，无法对阀门使用前优化提供充分数据。针对阀门设计优化化过程中试验环节，计算机仿真技术对阀门验证分析的使用可大大降低试验成本，为阀门的优化设计提供数据依据。但是目前在阀门设计行业使用计算机仿真作为阀门优化设计过程中的依据和支撑也较为单一，缺乏系统性的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通用阀门设计优化方法，该方法能大大降低试验成本，并有效缩短实验周期。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种通用阀门设计优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)建立待优化阀门的实体模型，并根据实体模型建立相应的有限元模型，对有限元模型的三维几何体进行简化，以达到有限元分析对几何体的要求；2)根据有限元模型对待优化阀门进行应力应变分析，根据分析结果判定待优化阀门的安全性能，并判断优化的可能性；应力应变分析包括一次应力、二次应力和外载荷应力分析，经过变形分析后得出待优化阀门的易变形位置，体现待优化阀门的刚度水平；3)根据应力应变分析结果建立流道模型，模拟仿真阀门工作过程中的流体状况，进行流场优化；流道模型包括层流分析模型和湍流分析模型；4)根据流道尺寸判断流动是层流还是湍流，并根据流道模型计算雷诺数，根据雷诺数选择分析模型：判断雷诺数是否超过预先设定的临界雷诺数，当雷诺数小于临界雷诺数则采用层流分析模型，反之采用湍流分析模型；5)将选择的分析模型进行网格划分，并设置边界条件，模拟仿真阀体内流体工作状态下的流体的速度场和压力场，进行流场分析；并对可能出现问题的局部进行网格加密，并放大边界条件；6)根据速度场和压力场对阀体进行噪声分析，并根据噪声分析结果判断阀体噪声是否合格，若噪声太大则依次对流道结构和阀门腔体进行优化，并重建阀门实体模型进入步骤2)，对阀体重新进行应力应变分析；反之完成阀体优化。

所述步骤1)中，对实体模型的三维几何体进行网格划分，并对几何体定义材料和属性，定义连接，并根据待优化阀门的实际载荷条件对几何体施加载荷模拟和边界条件约束。

所述步骤2)中，待优化阀门的一次应力和二次应力不能超过阀门使用材料的规定范围，一旦超过，则证明阀门的强度不够，直接进行强度应力分析，并需要对应力过大的地方进行加固处理；如果一次应力和二次应力分析结果远小于阀门使用材料的规定范围，则证明此阀门能进行适当的减重处理。

所述步骤3)中，对完成应力应变优化的阀体进行流道建模、网格划分，并将划分好的网格导入流体动力学计算方法中，对阀体定义边界载荷。

所述步骤4)中，雷诺数计算方法如下：

$\mathrm{Re}=\frac{VL}{v},$

式中，V为流道截面的平均速度；L为特征长度；v为流体的运动粘度；Re为雷诺数。

所述步骤5)中，流场分析包括以下步骤：a)根据待分析的阀体建立流道模型；b)将流道模型进行网格划分，同时设置边界条件设定流道模型对应的出口和入口，选择其对应的边界条件；c)将划分完网格的流道模型导入流体动力学计算方法中，根据流道的雷诺数选着合适的计算模型；d)选择该阀门对应的边界载荷，确定边界载荷后，进行迭代分析；e)根据计算数据生成速度矢量图、压力云图，依照生成的数据图寻找阀体内的紊流区域、压力集中区域，提出优化方案。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用对阀体进行三维建模，进行仿真分析得出阀门的应力和变形情况，用以分析阀门的结构是否能够承受其内部流体产生的压力。通过流场分析得出阀门内部是否会出现紊流或是流道不合理的情况，通过噪声分析可以模拟出阀门实际应用中的噪声情况。通过这些分析为阀门的设计提供参考，大大降低阀门研发过程中的试验成本，同时缩短实验周期，加快了阀门研发进程。2、本发明采用多维度优化方式，从应力、应变、流场、噪声等多维度综合分析，达到阀门结构综合最优化。本发明可以广泛在阀门设计领域中应用。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是本发明实施例中疏水阀一次应力分布示意图；

图3是本发明实施例中疏水阀流道模型示意图；

图4是本发明实施例中对选择的分析模型定义边界条件示意图；

图5是本发明实施例中速度矢量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种通用阀门设计优化方法，包括结构、变形、流场、噪声分析和优化，主要分为两个方面的分析优化：一是针对阀门的的应力应变进行优化，一种是针对阀门的流场进行优化。两个方面在优化过程中相互促进、相互制约。应力应变优化主要针对阀门的腔体刚度等因素，在满足强度的情况下尽可能的减小制造阀门的使用材料，为阀门设计的轻量化提供数据支撑。流场优化则针对阀门的结构进行优化，可以实现减低流体在阀门的动能损耗、降低噪声、提高使用寿命。该优化方法具体包括以下步骤：

1)建立待优化阀门的实体模型，并根据实体模型建立相应的有限元模型，对有限元模型的三维几何体进行简化，去除几何体中如倒角等细小尺寸，以达到有限元分析对几何体的要求，如网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等；

对实体模型的三维几何体进行网格划分，并对几何体定义材料和属性，定义连接，并根据待优化阀门的实际载荷条件对几何体施加载荷模拟和边界条件约束。

2)根据有限元模型对待优化阀门进行应力应变分析，根据分析结果判定待优化阀门的安全性能，并判断优化的可能性；

其中，应力应变分析过程主要为对待优化阀门的变形分析，包括一次应力、二次应力和外载荷应力分析，经过变形分析后可以得出待优化阀门的易变形位置，体现待优化阀门的刚度水平。

待优化阀门的一次应力和二次应力不能超过阀门使用材料的规定范围，一旦超过，则证明阀门的强度不够，直接进行强度应力分析，并需要对应力过大的地方进行加固处理；如果一次应力和二次应力分析结果远小于阀门使用材料的规定范围，则证明此阀门可以进行适当的减重处理。

3)根据应力应变分析结果建立流道模型，模拟仿真阀门工作过程中的流体状况，进行流场优化：对完成应力应变优化的阀体进行流道建模、网格划分，并将划分好的网格导入流体动力学计算方法(CFD)中，在CFD中对阀体定义边界载荷；

其中，由于阀门工作过程中的流体状况分为层流和湍流两种流体状况，因此，流道模型包括层流分析模型和湍流分析模型。

4)根据流道尺寸判断流动是层流还是湍流，并根据流道模型计算雷诺数，根据雷诺数选择分析模型：判断雷诺数是否超过预先设定的临界雷诺数，当雷诺数小于临界雷诺数则采用层流分析模型，反之采用湍流分析模型。

5)将选择的分析模型进行网格划分，并设置边界条件，模拟仿真阀体内流体工作状态下的流体的速度场和压力场，进行流场分析；其中，对可能出现问题的局部可以进行网格加密，并适当放大边界条件，以适用于可能出现的恶劣条件；

流场分析包括以下步骤：

a)根据待分析的阀体建立流道模型(流道模型为阀门工作时，阀门内部流体所能到达的全部空间的三维模型)。

b)将流道模型进行网格划分，同时设置边界条件设定流道模型对应的出口和入口，选择其对应的边界条件。

c)将划分完网格的流道模型导入流体动力学计算方法中，根据流道的雷诺数选着合适的计算模型。

d)选择该阀门对应的边界载荷，确定边界载荷后，进行迭代分析。

e)根据计算数据生成速度矢量图、压力云图(动压、静压、总压)，依照生成的数据图寻找阀体内的紊流区域、压力集中区域，提出相关优化方案。

6)根据速度场和压力场对阀体进行噪声分析，并根据噪声分析结果判断阀体噪声是否合格，若噪声太大则依次对流道结构和阀门腔体进行优化，并重建阀门实体模型进入步骤2)，对阀体重新进行应力应变分析；反之完成阀体优化。

上述步骤4)中，雷诺数计算方法如下：

$\mathrm{Re}=\frac{VL}{v}$

式中，V为流道截面的平均速度；L为特征长度；v为流体的运动粘度；Re为雷诺数。

实施例：

采用疏水阀作为分析对象，建立疏水阀的实体模型进行应力应变分析如图2所示，其中，A、B、C、D所示区域的应力都较大，其中D处的应力最大，即最大应力主要分布在过渡区域。使用该区域的一次应力结果与许用应力的数值进行比较。如果分析所得一次应力结果大于许用应力，则对阀门进行强化设计，优化应力集中点。如果分析所得一次应力结果小于许用应力，则对阀门可以做出阀门满足应力刚度设计合格的评估，进入试制试验阶段。如果分析所得一次应力结果远小于许用应力，则对阀门进行轻量化设计，减少阀门上使用材料。同理进行二次应力、外载荷应力分析。

流体分析：

根据疏水阀建立流道二维模型如图3所示，根据流道尺寸判断流动是层流还是湍流，是看其雷诺数是否超过临界雷诺数。对于圆形管内流动，特征长度L取圆管的直径d。一般认为临界雷诺数为2320。当雷诺数小于临界值2320时，采用层流分析，反之采用湍流分析。本实施例中的雷诺数为228。

对选择的疏水阀分析模型进行网格划分，对可能出现问题的局部可进行网格加密。网格划分完毕定义边界条件，在仿真过程中考虑可能出现的恶劣条件，在定义边界条件时适当放大，如图4所示。进行流畅分析得到阀体速度矢量图(如图5所示)、速度云图、压力云图。

由疏水阀的速度矢量图可知，阀体内部流体的流速大小以及方向，流速从图中右侧到左侧为逐步上升，最高流速为215.006m/s。在图中A、B处出现上、下两次紊流现象，出现小漩涡和回流区，该两处为阀体拐角处，且流速很低，因而造成紊流现象。阀体中心部位C处速度值变化较大，水流较不平稳，因而可能造成部分能量损失。

基于以上分析结果提出优化方案，A、B处出现漩涡、回流可做倒圆角处理，针对C出现速度较高的激流通过对C处形状调整、或增大流体面积来调整。调整后根据阀体的流与模型修改阀体外部结构。获得新的模型后，从新建立有限元模型做应力应变分析和流场分析以验证修改方案。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种通用阀门设计优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)建立待优化阀门的实体模型，并根据实体模型建立相应的有限元模型，对有限元模型的三维几何体进行简化，以达到有限元分析对几何体的要求；

2)根据有限元模型对待优化阀门进行应力应变分析，根据分析结果判定待优化阀门的安全性能，并判断优化的可能性；应力应变分析包括一次应力、二次应力和外载荷应力分析，经过变形分析后得出待优化阀门的易变形位置，体现待优化阀门的刚度水平；

3)根据应力应变分析结果建立流道模型，模拟仿真阀门工作过程中的流体状况，进行流场优化；流道模型包括层流分析模型和湍流分析模型；

4)根据流道尺寸判断流动是层流还是湍流，并根据流道模型计算雷诺数，根据雷诺数选择分析模型：判断雷诺数是否超过预先设定的临界雷诺数，当雷诺数小于临界雷诺数则采用层流分析模型，反之采用湍流分析模型；

5)将选择的分析模型进行网格划分，并设置边界条件，模拟仿真阀体内流体工作状态下的流体的速度场和压力场，进行流场分析；并对可能出现问题的局部进行网格加密，并放大边界条件；

6)根据速度场和压力场对阀体进行噪声分析，并根据噪声分析结果判断阀体噪声是否合格，若噪声太大则依次对流道结构和阀门腔体进行优化，并重建阀门实体模型进入步骤2)，对阀体重新进行应力应变分析；反之完成阀体优化。

2.如权利要求1所述的一种通用阀门设计优化方法，其特征在于：所述步骤1)中，对实体模型的三维几何体进行网格划分，并对几何体定义材料和属性，定义连接，并根据待优化阀门的实际载荷条件对几何体施加载荷模拟和边界条件约束。

3.如权利要求1所述的一种通用阀门设计优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，待优化阀门的一次应力和二次应力不能超过阀门使用材料的规定范围，一旦超过，则证明阀门的强度不够，直接进行强度应力分析，并需要对应力过大的地方进行加固处理；如果一次应力和二次应力分析结果远小于阀门使用材料的规定范围，则证明此阀门能进行适当的减重处理。

4.如权利要求1所述的一种通用阀门设计优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，对完成应力应变优化的阀体进行流道建模、网格划分，并将划分好的网格导入流体动力学计算方法中，对阀体定义边界载荷。

5.如权利要求1所述的一种通用阀门设计优化方法，其特征在于：所述步骤4)中，雷诺数计算方法如下：

$\mathrm{Re}=\frac{VL}{v},$

式中，V为流道截面的平均速度；L为特征长度；v为流体的运动粘度；Re为雷诺数。

6.如权利要求1所述的一种通用阀门设计优化方法，其特征在于：所述步骤5)中，流场分析包括以下步骤：

a)根据待分析的阀体建立流道模型；

b)将流道模型进行网格划分，同时设置边界条件设定流道模型对应的出口和入口，选择其对应的边界条件；

c)将划分完网格的流道模型导入流体动力学计算方法中，根据流道的雷诺数选着合适的计算模型；

d)选择该阀门对应的边界载荷，确定边界载荷后，进行迭代分析；

e)根据计算数据生成速度矢量图、压力云图，依照生成的数据图寻找阀体内的紊流区域、压力集中区域，提出优化方案。