CN105183926A - 一种阀体优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阀体优化设计方法，通过参数法建立三维几何模型，方便进行优化设计，大大缩短设计修改时间。通过建立的应力评价准则，考虑了产生不同失效的各类应力，采用多个评判条件来对应力进行评定，可以全面地、综合性地对阀体的结构强度是否满足安全性要求进行评定。同时通过应力结果对结构的经济性进行评价，该经济性评价标准充分考虑到不同类型的应力对结构强度的贡献，同时兼顾了设计与实际的区别。当阀体的结构既满足安全性评价、又满足经济性评价时，不仅能够保证阀门的安全性，又能最大限度地减小材料，充分发挥结构的承载潜能，从而降低阀体的重量，节约材料减少成本，使所设计的结构更合理、更经济。

Description

一种阀体优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种阀体优化设计方法，属于阀门计算及优化设计领域。

背景技术

阀体是阀门最重要的零部件之一，它主要功能是工作介质的流通通道和承压部件。作为阀门的外壳及主要耗材零件，其重量占整个阀门的70％，其设计水平对阀门制造成本、工作性能和使用寿命有决定性的影响。长期以来，阀体设计采用常规设计方法，通常是先根据客户给定的阀门设计参数，然后利用现有的大量经验数据及经验公式来进行阀体壁厚的估算与设计，在设计完成后再根据样机测试的试验结果对产品进行适当的修正。这种常规设计方法虽然简便，但却存在诸多缺陷。

常规的阀体设计公式与标准，是以弹性失效准则为基础，对阀体大幅度简化为圆筒形容器，然后以壳体的薄膜理论推导出较为简单的适合于工程应用的计算公式，计算设计压力作用下的最大应力，将其限制在材料许用应力值以内，从而确定阀体的壁厚。但实际上，阀体结构中的应力分布大多数是不均匀的，随着试验技术与计算技术的发展，对于结构几何不连续处按精确的弹性理论或有限元法所得到的应力集中系数往往可达到3-10。此时，若按最大应力点进入塑性就算失效就显得过于保守了。像这种按传统的半经验、半理论的常规设计方法，是以阀体总体的或基本的应力为考核对象，简单的采用内压容器弹性失效的理论公式进行设计，为了确保设备安全采用了较大的设计安全系数，这使得设计过于保守，导致阀体的体积和重量偏大，成本过高。其次，阀体的设计除了要满足一定的强度要求外，还要满足一定的刚度要求，传统的设计方法很难算出某些关键部位的变形量，容易造成质量隐患。

虽然随着计算机技术及数值模拟技术的发展，有限元方法开始应用到阀门的设计计算中，但在对计算结果进行评判时，通过对不同类型的应力与阀体材料许用应力值进行对比，以获得阀门安全性的评价结果。然而，目前对阀门的设计仅仅停留在对安全性的评价上，忽略了对设计水平或材料潜力是否充分发方面的评价，使得所设计的阀体结构仍有较大的减重空间，此设计并非是性能和成本最优化的方案。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的阀门设计方法无法充分发挥材料性能的问题，从而提出一种能够充分发挥材料性能的，既符合设计要求又降低了阀门生产成本的阀体优化设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种阀体优化设计方法，包括以下步骤：

S1：建立阀体的三维几何模型；

S2：根据阀体的三维几何模型对阀体建立有限元计算模型，根据有限元计算模型计算在内压作用下的应力分布；

S3：根据应力分布获取高应力区和危险截面，对危险截面进行应力线性化分析，得到应力线性化结果，所述应力线性化结果包括一次薄膜应力和一次弯曲应力和二次应力；

S4：根据得到的所述应力线性化结果进行阀门安全性评价；

S5：获取安全性评价结果，若安全性评价结果为安全时，则根据得到的所述应力线性化结果进行阀门的经济性评价；

S6：获取经济性评价结果，若所述经济性评价结果为经济时，则认为此时的阀体结构为最优设计方案；

若经济性评价结果为不经济时，则进行优化设计，并重复S1-S5步骤。

本发明的阀体优化设计方法，若S4步骤中阀门安全性评价为不安全时，则进行优化设计，并重复S1-S4步骤。

本发明的阀体优化设计方法，在所述S5步骤中，进行优化设计的方法为，依据阀体结构的连续性，将阀体划分为若干个阀体区域；若高应力区位于某个阀体区域内部，则增大高应力区所在阀体区域的材料的厚度；若高应力区位于若干阀体区域的交界处，则同时增大高应力区相邻的多个阀体区域的材料的厚度。

本发明的阀体优化设计方法，所述根据得到的所述应力线性化结果进行阀门安全性评价的步骤中，同时满足以下条件时安全性评价结果为安全：

(1)σ_m＜1.0S，或者σ_L＜1.5S；

(2)σ_m+σ_b＜1.5S，或者σ_L+σ_b＜1.5S；

(3)σ_m+σ_b+Q＜3.0S，或者σ_L+σ_b+Q＜3.0S；

其中，σ_m为一次总体薄膜应力，σ_L为一次局部薄膜应力，σ_b为一次弯曲应力，Q为二次应力，S为材料许用应力值。

本发明的阀体优化设计方法，在S5步骤中，进行经济性评价的步骤为：

将阀体划分为若干阀体区域；

获取每个阀体区域的应力线性化结果；

依次判断每个可优化的阀体区域是否满足经济性准则，若每个阀体区域得到的应力线性化结果都符合经济性准则，则判定该阀门的经济性评价结果为经济。

本发明的阀体优化设计方法，获取每个阀体区域的应力线性化结果的步骤包括：

根据应力分布获取每个阀体区域的高应力区和危险截面，并对每个危险截面进行应力线性化分析，得到应力线性化结果，所述应力线性化结果包括一次薄膜应力和一次弯曲应力。

本发明的阀体优化设计方法，依次判断每个可优化的阀体区域是否满足经济性准则时，符合下列两个条件之一；

条件一：

阀体区域的应力线性化结果同时满足，

(1)0.7S＜σ_m＜0.8S，或者0.7S＜σ_L＜1S；

(2)0.7S＜σ_m+σ_b＜1.2S，或者0.7S＜σ_L+σ_b＜1.2S；

其中σ_m为一次总体薄膜应力，σ_L为一次局部薄膜应力，σ_b为一次弯曲应力，S为材料许用应力值；

条件二：

阀体区域厚度为最小限定厚度。

本发明的阀体优化设计方法，在所述S6步骤中，进行优化设计的方法为，增大或减小不符合经济性准则的阀体区域的材料的厚度。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明的阀体优化设计方法，通过参数法建立三维几何模型，方便进行优化设计，大大缩短设计修改时间。通过建立的应力评价准则，考虑了产生不同失效的各类应力，采用3个评判条件来对应力进行评定，可以全面地、综合性地对阀体的结构强度是否满足安全性要求进行评定。同时通过应力结果对各个阀体区域的经济性进行评价，当各阀体区域中的应力均符合(1)0.7S＜σ_m＜0.8S或0.7S＜σ_L＜1S，并且(2)0.7S＜σ_m+σ_b＜1.2S，或0.7S＜σ_L+σ_b＜1.2S时，阀门的结构具备经济性，该经济性评价标准充分考虑到不同类型的应力对结构强度的贡献，并兼顾了设计与实际的区别。当阀体的结构既满足安全性评价、又满足经济性评价时，不仅能够保证阀门的安全性，又能最大限度地减小材料，充分发挥结构的承载潜能，从而降低阀体的重量，节约材料减少成本，使所设计的结构更合理、更经济。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明中阀体优化设计方法的流程图；

图2是本发明实施例1中阀体的1/2三维几何模型；

图3是本发明实施例1中初始设计的应力计算结果云图。

图中附图标记表示为：1-阀腔壁区域；2-加强筋区域；3-中法兰区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种阀体优化设计方法，阀体为DN650闸阀，包括以下步骤，流程如图1所示：

S1：建立阀体的三维几何模型；

该阀门设计压力为5.1MPa，阀体的初步设计方案。初步设计的阀腔壁区域1的厚度为32.8mm，加强筋区域2的厚度为45mm，中法兰区域3的厚度为95mm，加强筋板上有一个φ60的孔，阀体的材料许用应力为138MPa。根据阀体的二维设计图，在三维几何建模软件中采用参数法建立阀体的三维几何模型。由于几何及所受载荷具有对称性，建立1/2模型即可。

S2：利用有限元软件对阀体建立有限元计算模型，根据有限元计算模型的计算在内压(为设计压力的1.5倍)作用下的应力分布图，确定阀体内的高应力区和危险截面；

把阀体三维几何模型导入有限元软件如ANSYS，进行有限元前处理，然后在阀体进出口端部施加位移固定约束，在阀体内腔表面作用压力,即内压，压力值为38℃时设计压力的1.5倍，即7.65MPa。然后计算阀体承受内压作用下的应力分布，如图2为tresca应力计算结果云图。可以发现加强筋板根部和阀体座圈附近处应力水平相对较高，应力集中点最大应力达约276MPa，而在一些几何形状相对平缓的区域的应力水平相对较低。

S3：利用有限元软件对危险截面进行应力线性化分析，得到一次总体薄膜应力σ_m或一次局部薄膜应力σ_L和一次弯曲应力σ_b和二次应力Q；

根据应力计算结果云图确定应力水平相对较高的区域，然后对位于阀体内部应力偏高的区域进行评估，判断阀体的设计是否安全可靠。

由于三维有限元计算给出的结果是包含了一次薄膜应力、局部薄膜应力、局部弯曲应力、二次应力和峰值应力在内的总的应力场。根据应力分类思想，首先将总应力进行分类，以区分不同部位的主要应力类型。通过在有限元分析软件里利用路径操作工具在应力最大处选取应力评定线，然后应用应力线性化工具将计算应力结果沿可能的危险截面分解成一次薄膜应力及一次弯曲应力、峰值应力和总应力等分类应力。

依据阀体结构的连续性，对阀体区域进行划分，如图2所示，将阀体区域划分为加强筋区域2、阀腔壁区域1和中法兰区域3。当然，对阀体区域进行划分，只需在对阀门进行优化设计之前进行即可。并且在对阀体区域进行划分时，尽量把结构连续并且材料厚度设置相同的区域划分到一起。

阀体的高应力区产生在加强筋区域2、阀腔壁区域1的交界处，产生的薄膜应力类型为局部薄膜应力。根据应力线性化结果，阀体的一次局部薄膜应力最大值为58.87MPa，一次薄局部膜应力加弯曲应力为99.827MPa，总应力为276MPa。

S4：根据得到的应力进行阀门安全性评价；

阀门安全性评价为安全时同时满足以下条件：

(1)σ_m＜1.0S，或者σ_L＜1.5S；

(2)σ_L+σ_b＜1.5S，或者σ_m+σ_b＜1.5S；

(3)σ_m+σ_b+Q＜3.0S，或者σ_L+σ_b+Q＜3.0S；

其中，σ_m为一次总体薄膜应力，σ_L为一次局部薄膜应力，σ_b为一次弯曲应力，Q为二次应力，S为材料许用应力值。

由于一次局部薄膜应力σ_L小于1倍的材料许用应力值1.5S，满足条件(1)；

一次局部薄膜应力σ_L加一次弯曲应力σ_b小于1.5倍的材料许用应力值1.5S，满足条件(2)；

总应力：一次总体薄膜应力σ_m或一次局部薄膜应力σ_L加一次弯曲应力σ_b加二次应力Q不超过3倍的材料许用应力3S，满足条件(3)。

因而阀门安全性评价的结果为：安全。

当然，如果阀门安全性评价的结果为：不安全时，则要确定高应力区的位置。若高应力区位于某个阀体区域内部，则逐渐增加高应力区所在阀体区域的材料的厚度；若高应力区位于若干阀体区域的交界处，则同时增大高应力区相邻的多个阀体区域的材料的厚度，并重复S1-S4步骤再次进行安全性评定，直到阀门安全性评价的结果为安全。

S5：若S4步骤中阀门安全性评价为安全时，则进行阀门经济性评价；

进行经济性评价的步骤为：

首先，获取每个阀体区域的应力线性化结果。具体为：先要根据应力分布获取每个阀体区域的高应力区和危险截面，并对每个危险截面进行应力线性化分析，得到一次薄膜应力和一次弯曲应力。

然后，依次判断每个阀体区域是否满足经济性准则，若每个可优化的阀体区域得到的应力线性化结果都符合经济性准则，则判定该阀门的经济性评价结果为经济，否则为不经济。

具体为：将每个可优化的阀体区域得到一次薄膜应力和一次弯曲应力和二次应力分别以下列经济性评价准则进行比较；

经济性评价准则为符合下列两个条件之一；

条件一：

阀体区域的应力线性化结果同时满足，

(1)0.7S＜σ_m＜0.8S，或者0.7S＜σ_L＜1S；

(2)0.7S＜σ_m+σ_b＜1.2S，或者0.7S＜σ_L+σ_b＜1.2S；

其中σ_m为一次总体薄膜应力，σ_L为一次局部薄膜应力，σ_b为一次弯曲应力，S为材料许用应力值；

条件二：

阀体区域厚度为最小限定厚度。

由于中法兰区域3上方需要安装阀盖，为了保证密封性和与阀盖连接的紧密性，因而其厚度有最小限制，厚度不得小于72mm，即中法兰区域3的最小限定厚度为72mm。在本实施例中，进行首次经济性评价时，加强筋区域2、阀腔壁区域1和中法兰区域3的均不符合上述经济性评价准则，即σ_m或σ_L以及(σ_m+σ_b)或(σ_L+σ_b)均低于0.7S，并且也大于最小限定厚度。

因而，阀门经济性评价结果为：不经济。

S6：由于S5步骤中经济性评价结果为不经济，则对危险截面所在区域进行优化设计。增大或减小加强筋区域2、阀腔壁区域1和中法兰区域3的材料厚度，并重复S1-S5步骤，直到加强筋区域2、阀腔壁区域1和中法兰区域3首次符合经济性评价准则。最终，阀腔壁区域1的厚度由32.8mm减小到26mm，加强筋区域2的厚度由45mm减小到40mm，符合经济性评价准则的条件一；中法兰区域3的厚度由90mm减小到最小限定厚度72mm，虽然不符合经济性评价准则的条件一，但是符合条件二，因而中法兰区域3也符合经济性评价准则。此时，阀门经济性评价结果为经济，则认为此时为阀门的最优设计方案。

需要指出的是，如果某个阀体区域为不可调节厚度的区域(也即该区域为不可优化区域)，则忽略掉对这个区域的经济性准则的评定。另外，如果只想要优化某个阀体区域的厚度时，也可仅对此阀体区域进行经济性准则评定，并且整个阀体符合安全性评价即可。

本实施例的阀体优化设计方法，通过参数法建立三维几何模型，方便进行优化设计，大大缩短设计修改时间。通过建立的应力评价准则，考虑了产生不同失效的各类应力，采用3个评判条件来对应力进行评定，可以全面地、综合性地对阀体的结构强度是否满足安全性要求进行评定。同时通过应力结果对各个阀体区域的经济性进行评价，当各阀体区域中的应力均符合(1)0.7S＜σ_m＜0.8S或0.7S＜σ_L＜1S，并且(2)0.7S＜σ_m+σ_b＜1.2S，或0.7S＜σ_L+σ_b＜1.2S时，阀门的结构具备经济性，该经济性评价标准充分考虑到不同类型的应力对结构强度的贡献，并兼顾了设计与实际的区别。当阀体的结构既满足安全性评价、又满足经济性评价时，不仅能够保证阀门的安全性，又能最大限度地减小材料，充分发挥结构的承载潜能，从而降低阀体的重量，节约材料减少成本，使所设计的结构更合理、更经济。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种阀体优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立阀体的三维几何模型；

S2：根据阀体的三维几何模型对阀体建立有限元计算模型，根据有限元计算模型计算在内压作用下的应力分布；

S3：根据应力分布获取高应力区和危险截面，对危险截面进行应力线性化分析，得到应力线性化结果，所述应力线性化结果包括一次薄膜应力和一次弯曲应力和二次应力；

S4：根据得到的所述应力线性化结果进行阀门安全性评价；

S5：获取安全性评价结果，若安全性评价结果为安全时，则根据得到的所述应力线性化结果进行阀门的经济性评价；

S6：获取经济性评价结果，若所述经济性评价结果为经济时，则认为此时的阀体结构为最优设计方案；

若经济性评价结果为不经济时，则进行优化设计，并重复S1-S5步骤。

2.根据权利要求1所述的阀体优化设计方法，其特征在于，若S4步骤中阀门安全性评价为不安全时，则进行优化设计，并重复S1-S4步骤。

3.根据权利要求2所述的阀体优化设计方法，其特征在于，在所述S4步骤中，进行优化设计的方法为，依据阀体结构的连续性，将阀体划分为若干个阀体区域；若高应力区位于某个阀体区域内部，则增大高应力区所在阀体区域的材料的厚度；若高应力区位于若干阀体区域的交界处，则同时增大高应力区相邻的多个阀体区域的材料的厚度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的阀体优化设计方法，其特征在于，所述根据得到的所述应力线性化结果进行阀门安全性评价的步骤中，同时满足以下条件时安全性评价结果为安全：

(1)σ_m＜1.0S，或者σ_L＜1.5S；

(2)σ_m+σ_b＜1.5S，或者σ_L+σ_b＜1.5S；

(3)σ_m+σ_b+Q＜3.0S，或者σ_L+σ_b+Q＜3.0S；

其中，σ_m为一次总体薄膜应力，σ_L为一次局部薄膜应力，σ_b为一次弯曲应力，Q为二次应力，S为材料许用应力值。

5.根据权利要求1-4任一项所述的阀体优化设计方法，其特征在于，在S5步骤中，进行经济性评价的步骤为：

将阀体划分为若干阀体区域；

获取每个阀体区域的应力线性化结果；

依次判断每个可优化的阀体区域是否满足经济性准则，若每个阀体区域得到的应力线性化结果都符合经济性准则，则判定该阀门的经济性评价结果为经济。

6.根据权利要求5所述的阀体优化设计方法，其特征在于，获取每个阀体区域的应力线性化结果的步骤包括：

根据应力分布获取每个阀体区域的高应力区和危险截面，并对每个危险截面进行应力线性化分析，得到应力线性化结果，所述应力线性化结果包括一次薄膜应力和一次弯曲应力。

7.根据权利要求6所述的阀体优化设计方法，其特征在于，依次判断每个可优化的阀体区域是否满足经济性准则时，所述经济性准则为符合下列两个条件之一；

条件一：

阀体区域的应力线性化结果同时满足，

(1)0.7S＜σ_m＜0.8S，或者0.7S＜σ_L＜1S；

(2)0.7S＜σ_m+σ_b＜1.2S，或者0.7S＜σ_L+σ_b＜1.2S；

其中σ_m为一次总体薄膜应力，σ_L为一次局部薄膜应力，σ_b为一次弯曲应力，S为材料许用应力值；

条件二：

阀体区域厚度为最小限定厚度。

8.根据权利要求1-7任一项所述的阀体优化设计方法，其特征在于，在所述S6步骤中，进行优化设计的方法为，增大或减小不符合经济性准则的阀体区域的材料的厚度。