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大口徑蝶閥的有限元分析與設計

近年來，許多工業企業還根據需要，提出了一些大型閥門（如直徑為Φ5350mm）的設計制造問題。然而，根據現有的閥門設計手冊和相應的標準，還很缺乏有關大口徑閥門的設計數據資料，同時行業內也缺乏對大型閥門的設計經驗。因此，需對其進行詳細準確的計算分析，需要對其進行變形與受力分析計算。然后根據其結果進行設計。從而保證其具有良好的密封性和足夠的強度。但是，由于閥門結構的特殊性，很難用經典的力學方法進行分析計算，只有采用有限元方法來分析計算。采用有限元方法，對直徑為Φ5350mm蝶閥的閥體和蝶板進行分析計算，以便為其結構合理和設計優化提供理論依據，避免造成不必要的材料浪費。
    原理：
    有限元分析法的實質是通過兩次近似將具有無限多個自由度的彈性連續體理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數值求解的結構問題。*次近似為單元分割，的邊界被離散為簡單的邊界，連續的物體被離散為一系列只有節點相連的單元，結構離散也稱為網格劃分，離散而成的單元集合體將替代原來的彈性連續體；第二次近似為真實復雜的位移分布被近似地表示在分析結果圖形中，可以直觀的看到分析計算結果。
    這里需要說明的是目前有限元分析法的地發展及實際應用借助了一個重要的工具：在實際計算中使用了計算機。利用計算機的系統化軟件進行分析計算，極大地提高了分析速度，在實際應用中起到了非常重要的作用。
    1 閥門的結構
    本閥門采用三偏心結構，閥體為雙法蘭加環筋式；蝶板為異型板式，其上合理地布置不同形式的筋板，其結構是比較復雜的，采用手工計算工作量較大，因此采用三維有限元分析軟件進行計算。
    2 閥體的有限元計算分析
    結構離散是有限元法的基礎。所謂結構離散化就是將要分析的彈性連續體按照一定的規則分成有限個單元體的集合，使相鄰單元在節點處連接，單元之間的載荷也僅由節點來傳遞。結構離散也稱為網格劃分，離散而成的單元集合體將替代原來的彈性連續體，所有的計算分析都將在這個計算模型上進行。
    首先建立閥體簡要結構的有限元模型。
    2.1 邊界條件的確定
    閥體的變形主要受閥體本身自重和閥門其他部件（如閥板、動力裝置）重量的影響，因此在計算時要充分考慮其他部件的重量，我們選擇閥門在豎直放置時閥體的變形計算，加載整體Y向3g重力加速度，閥體底部也加載Y向及X向約束，同時考慮到閥門孔徑較大，會出現管道端面效應，因此要在兩片法蘭上加載閥門Z向約束。

圖 1

    2.2 受力情況分析
    由于閥門口徑大，一般都采用鋼板焊接結構，因此主要考慮的是閥門整體重量對閥體的影響，避免閥體有較大自重變形，從而影響閥門的正常使用，由重力加速度為g，但實際上從安全角度考慮，我們按3g計算。加載Y=3g，通過有限元分析計算可以得出閥體在3倍重力加速度下的自重變形情況。下圖為閥體變形情況，由圖可知其zui大變形量為0.6mm。