CN109033665A - 一种基于cae仿真计算球阀转动扭矩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，包括以下步骤：1、包括以下步骤：利用三维建模软件分别建立球阀各个零部件三维模型，将建立好的零部件三维模型进行装配并保存；对建立好的球阀装配模型行几何处理；对几何处理后的球阀装配模型进行静态分析；对几何模型进行区别划分网格；通过边界条件设置对阀门各部件的自由度；对阀门之间的各个部件进行接触设置；在ANSYS Mechanical POST中进行结果后处理。本发明利用CAE模拟阀门在实际工况下的转动过程，并精确的计算出各个开度下的转动扭矩。由于本发明计算精度高、计算规模量大、使用范围广，因此在实际研发和生产过程中具有缩短阀门的研发周期、降低阀门研发和生产成本的特点。

Description

一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法

技术领域

本发明属于阀门领域，具体涉及一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法。

背景技术

阀门的扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩，扭矩(Torque，也称为转矩)在物理学中就是特殊的力矩，等于力和力臂的乘积，国际单位是牛米N·m。阀门转动扭矩是阀门开发设计阶段和执行机构选型必不可少的数据，对降低阀门整机成本起着重要作用。CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法，并且具有计算规模大，精度要求高的特点。随着计算机技术和结构力学的发展，基于CAE的仿真可以准确、快速而且可视化的反应零部件内部的受力情况。目前人们计算扭矩的方法是通过分别计算密封件间的摩擦力矩(阀座与球体)、填料与阀杆的摩擦力矩、轴承对阀杆的摩擦力矩，并将三者加和在一起构成了阀门的转动扭矩。

目前计算扭矩的方法只是一种对扭矩的估算，计算结果往往与实际结果偏差较大，可靠性低，往往造成本的浪费和研发效率的低下。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，包括以下步骤：

利用三维建模软件分别建立球阀各个零部件三维模型，将建立好的零部件三维模型进行装配并保存；

对建立好的球阀装配模型行几何处理；

对几何处理后的球阀装配模型进行静态分析；

对几何模型进行区别划分网格；

通过边界条件设置对阀门各部件的自由度；对阀门之间的各个部件进行接触设置；

在ANSYS Mechanical POST中进行结果后处理。

优选地，Solidwork或UG三维建模软件分别建立球阀各个零部件三维模型。

优选地，所述三维模型进行几何处理具体包括：

去除不关注的小特征圆角、斜角；

阀座的切割处理：将阀座与球体接触部分进行切块；

球体抽壳处理：将球体与阀座密封面接触的球面进行抽壳处理；

阀杆几何模型的处理：用阀体与下支撑轴接触边对下支撑轴圆柱面进行劈分，用上轴承与阀杆接触对阀杆圆柱面进行劈分，用真料与阀杆接触边对阀杆圆柱面进行劈分；

添加介质模型。

优选地，所述对几何处理后的球阀装配模型进行静态分析具体包括：

将处理好的球阀装配模型导入静态分析项目；

分别创建材料304和石墨的参数，并输入各自的弹性模量、泊松比参数。

优选地，所述对几何模型进行区别划分网格具体包括：

插入Hex Dominant的网格控制画法，选择除介质外的所有实体模型；

选择介质部件，设置成以四边形为主、六面体网络为辅的网格画法，网格大小为1mm；

将所有部件总体设置网格尺寸4.5mm；

将阀座与球芯接触面，阀杆与上轴承接触面，阀杆与球芯接触面，阀杆与填料接触面网格细化为1.5mm；

生成网格。

如上所述，本发明的一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，具有以下有益效果：

本发明利用CAE模拟阀门在实际工况下的转动过程，并精确的计算出各个开度下的转动扭矩。由于本发明计算精度高、计算规模两大、使用范围广，因此在实际研发和生产过程中具有缩短阀门的研发周期、降低阀门研发和生产的成本的特点。

应用CAE仿真分析方法计算阀门扭矩是对阀门设计方法，能够在阀门的设计开发阶段提供真实可靠的数据，本发明旨在利用静力学仿真分析方法计算球阀在开启或关闭过程中阀门的转动扭矩,并读取阀门扭矩的最大值，作为阀门设计和执行器选型的依据，从而将阀门的研发成本和缩短研发周期。

附图说明

图1为去除不关注的小特征圆角、斜角的示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为阀座的切割处理示意图；

图4为球体抽壳处理示意图；

图5为阀杆几何模型的处理示意图；

图6为添加介质模型后的示意图；

图7为网格生成示意图；

图8为边界条件设置、接触设置示意图；

图9为阀杆扭矩

图10为左阀座峰值扭力示意图；

图11为右阀座峰值扭力示意图；

图12为本发明所述方法的流程图；

图13为阀的装配图；

其中，1、上阀杆，2、填料，3、上轴承，4、右阀体，5、右阀座，6、下阀杆，7、下轴承，8、球芯，9、左阀座，10、左阀体，11、阀座外圆面，12、下轴承外圆面，13、上轴承外圆面，14、填料外圆面。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图12所示，本发明提供一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，该方法具体包括以下步骤：

一、利用三维建模软件分别建立球阀各个零部件三维模型，将建立好的零部件三维模型进行装配并保存。

于具体实施例中，可以利用Solidwork或UG等三维建模软件分别建立球阀各个零部件三维模型(本发明以有介质压力状态下DN80 900LB球阀为列)。

二、对建立好的球阀装配模型行几何处理。

几何模型处理的好坏直接影响划分网格的质量和数量，网格数量多则计算量大，所耗时间也较长，导致计算效率低下；网格质量差往往造成计算不收敛或造成计算结果偏差大，与实际结果不相符。几何三维模型合理得当的处理对CAE仿真计算至关重要。具体地，几何模型的处理包括：

1、去除不关注的小圆角、斜角；具体可以如图1所示，图中方框部分指的是删除的小圆角，如图2所示。

2、阀座的切割处理：将阀座与球体8接触部分进行切块；具体可以如图3所示。

3、球体抽壳处理：将球体与阀座密封面接触的球面进行抽壳处理。于具体实施例中，抽取厚度为1mm的球面壳体；具体如图4所示。

4、阀杆几何模型的处理；具体可以如图5所示。

5、添加介质模型，厚度为1mm的球面片体；具体可以如图6所示。

三、对几何处理后的球阀装配模型进行静态分析。于具体实施例中，该步骤可以包括：

1、将处理好的球阀装配模型导入静态分析项目；

2、分别创建材料304和石墨的参数，并输入材料各自的弹性模量、泊松比等材料相关参数。

四、对几何模型进行区别划分网格。这里的几何模型指的是：指球体、阀座、阀杆、上下轴承、填料

对几何模型进行区别划分网格(及对不同模型区域实行不同的网格划分方法和不同尺寸的划分)，一方面可以减少网格划分数量，另一方面可以提高接触区域的网格质量。既提高了效率又满足了计算精度。网格的划分方法和网格的精细程度往往对计算的结果有着较大的影响。具体地，该步骤可以包括以下子步骤：

1、插入Hex Dominant的网格控制画法，选择除介质外的所有实体模型；

2、选择介质部件，设置成四边形为主的网格画法网格大小为1mm；

3、将所有部件总体设置网格，具体尺寸为4.5mm；

4、阀座与球芯接触面，阀杆与上轴承、阀杆与球芯接触面、阀杆与填料接触面网格细化为1.5mm；

5、点击生成网格；

其中，最小正交质量为0.177；最大偏斜率为0.767；最大纵横比为：78.64；总体网格数量100778，节点数量319104。

五、分析设置

正常情况下导入的模型是没有自由度限制的，通过边界条件设置对阀门各部件的自由度以实际情况进行限制；并根据实际情况对阀门之间的各个部件进行接触设置；这样三维模型就拥有了和实际情况相同的受力约束。自由度和接触的正确设置以及摩擦系数值等参数对计算精度有很大影响。

1、分析求解设置：

1)步长控制：自动时间步长打开；第一、第二载荷步初始子步1，最小子步1，最大子步20；第三载荷步初始子步2000，最小子步100，最大子步4000。

2)求解控制：大变形打开；

3)输出控制：节点力输出打开。

2、边界条件设置

1)上轴承外圆面、填料外圆面及下轴外圆面固定支撑；

2)阀座外圆面施加圆柱支撑，限制除轴向外的自由度；

3)阀杆顶端圆柱面施加远程位移边界条件，在第三个载荷步施加10°的旋转角位移；

4)介质外表面施加远程位移约束，X向自由；

5)介质外表面第二载荷步施加沿面法向16.5Mpa的介质压力，并保持之后的载荷步中大小不变。

6)求解

3、连接设置

1)删除所有自动生成的接触；

2)选中Contacts并在细节列表的公差类型中选中Value，公差值中输入0.5mm；

3)选中Contacts,右键创建自动连接；

4)Suppress掉下面重命名后的下图所示几个绑定接触；

5)切换介质与球芯2的绑定接触为不分离接触；

6)切换左、右阀座与球芯2的绑定接触为摩擦接触，摩擦系数设为0.8；高级设置中计算公式切换为：Augmented Lagrange；更新刚度为：Each Iteration；接触面处理：AddOffset,Ramped Effects；

7)切换上轴承与阀杆间的绑定接触为无摩擦接触，其余设置同上述摩擦接触(除摩擦系数外)；

8)切换阀杆与填料间的绑定接触为摩擦接触，摩擦系数设为1.19；高级设置中计算公式切换为：Augmented Lagrange；更新刚度为：Each Iteration；接触面处理：AddOffset,Ramped Effects；

9)切换下轴与下轴承的绑定接触为无摩擦接触，级设置中计算公式切换为：Augmented Lagrange；更新刚度为：Each Iteration；接触面处理：Add Offset,RampedEffects；

10)切换阀杆与球芯的绑定接触为摩擦接触，摩擦系数设为0.1；高级设置中计算公式切换为：Augmented Lagrange；更新刚度为：Each Iteration；接触面处理：AddOffset,Ramped Effects；

11)左右阀座与阀体间，弹簧径向刚度469.97N/mm,初始预紧力1800N压力，介质压力作用。

六、ANSYS Mechanical POST中进行结果后处理

1.查看球阀转动扭力结果(远程位移对应的反作用扭力)

1)选中Solution，在工具栏中选择Probe下拉菜单中的Moment Reaction选项；

2)边界条件中选择位于阀杆顶端施加的远程位移；

3)选择刚才创建的Moment Reaction，右键选择：基于定义的重命名(不是必须的，这样操作比较直观)；

4)选择重命名后的Moment Reaction，Option选项中选择：Y轴结果

最终结果显示如下：阀杆扭矩284.7N·m与实验数据相吻合。

2.查看阀座与球芯摩擦接触位置的反作用扭力结果

1)选中Solution，在工具栏中选择Probe下拉菜单中的Moment Reaction选项；将Location Method切换到Contact Region；在Contact Region中分别选择左、右阀座对球芯的摩擦接触；

2)Summation中选择Orientation System；Extraction中选择Target(UnderlyingElement)。

最终结果显示如图10、图11所示。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用三维建模软件分别建立球阀各个零部件三维模型，将建立好的零部件三维模型进行装配并保存；

对建立好的球阀装配模型行几何处理；

对几何处理后的球阀装配模型进行静态分析；

对几何模型进行区别划分网格；

通过边界条件设置对阀门各部件的自由度；对阀门之间的各个部件进行接触设置；

在ANSYS Mechanical POST中进行结果后处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，其特征在于，Solidwork或UG三维建模软件分别建立球阀各个零部件三维模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，其特征在于，所述三维模型进行几何处理具体包括：

去除不关注的小特征圆角、斜角；

阀座的切割处理：将阀座与球体接触部分进行切块；

球体抽壳处理：将球体与阀座密封面接触的球面进行抽壳处理；

阀杆几何模型的处理：用阀体与下支撑轴接触边对下支撑轴圆柱面进行劈分，用上轴承与阀杆接触对阀杆圆柱面进行劈分，用真料与阀杆接触边对阀杆圆柱面进行劈分；

添加介质模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，其特征在于，所述对几何处理后的球阀装配模型进行静态分析具体包括：

将处理好的球阀装配模型导入静态分析项目；

分别创建材料304和石墨的参数，并输入各自的弹性模量、泊松比参数。

5.根据权利要求1所述的一种基于CAE仿真计算球阀转动扭矩的方法，其特征在于，所述对几何模型进行区别划分网格具体包括：

插入Hex Dominant的网格控制画法，选择除介质外的所有实体模型；

选择介质部件，设置成以四边形为主、六面体网络为辅的网格画法，网格大小为1mm；

将所有部件总体设置网格尺寸4.5mm；

将阀座与球芯接触面，阀杆与上轴承接触面，阀杆与球芯接触面，阀杆与填料接触面网格细化为1.5mm；

生成网格。