大口徑全焊接球閥密封性能有限元分析建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種球閥密封性能有限元分析建模方法，具體涉及一種大口徑全焊接 球閥密封性能有限元分析建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全焊接球閥可廣泛應(yīng)用在城市供熱或天然氣管道上，其中的密封性能分析是一項(xiàng) 很重要的工作。傳統(tǒng)分析采用工程算法，能估計(jì)焊接球閥一般的密封性能，但由于球閥密封 性能受多種因素影響，密封面接觸面積和受力變化對(duì)密封性能的好壞具有決定性的影響， 這一點(diǎn)工程算法無(wú)法精確計(jì)算；由理論公式計(jì)算的密封比壓為平均密封比壓值，不能真實(shí) 反映密封比亞值的分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種大口徑全焊接球閥密封性能有限元分析建模方法，能同 時(shí)模擬結(jié)構(gòu)、熱、流體以及各種物理場(chǎng)間的耦合效應(yīng)，具有較高精度和評(píng)估價(jià)值。
[0004] 本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：
[0005] -種大口徑全焊接球閥密封性能有限元分析建模方法，包括如下步驟：
[0006] S1、對(duì)焊接球閥球墊建立有限元模型；
[0007]S2、對(duì)焊接球閥球體建立有限元模型；
[0008]S3、將S1中建立的球墊模型、S2中建立的球體模型進(jìn)行裝配，得到裝配模型；
[0009]S4、采用有限元工具對(duì)S3得到的裝配模型進(jìn)行接觸關(guān)系設(shè)定，球閥球墊與球體之 間的接觸面設(shè)為接觸關(guān)系；
[0010] S5、采用有限元工具對(duì)S3得到的裝配模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，得到單元模型?br>[0011] S6、采用有限元工具在單元模型上施加邊界條件和載荷，然后用有限元工具對(duì)單 元模型進(jìn)行應(yīng)力分析，得到球閥球體與球墊之間密封面應(yīng)力的有限元分析結(jié)果。
[0012] S1中有限元模型中所使用的參數(shù)為球墊的主要關(guān)鍵尺寸以及材料的屬性。
[0013]S2中有限元模型中所使用的參數(shù)為球體的主要關(guān)鍵尺寸以及材料的屬性。
[0014]S5中采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元solid95;球墊與球體，采用的接觸單元類型為 Contacl74 和Targetl70〇
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：采用有限元分析方法分析焊接球閥的密封性能，進(jìn)行應(yīng)力 分析，具有較高精度和評(píng)估價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí) 施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0017] 圖1是焊接球閥密封結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 其中：16.球墊、14.球墊座、18.側(cè)壁0型圈、15.彈簧。
[0019] 圖2是工作時(shí)球體和球墊密封比壓三維圖；
[0020] 圖3是圖2的放大圖；
[0021] 圖4是工作時(shí)球墊面接觸密封比壓三維圖；
[0022] 圖5是球墊和球接觸壓力軸面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 如圖1-5所示，實(shí)施例：
[0024] 球閥球墊密封面與球體是接觸密封，在彈簧15預(yù)緊力作用下，密封面產(chǎn)生初始密 封比壓，使球墊16與球體壓緊，達(dá)到密封。工作時(shí)，在流體介質(zhì)壓力的作用下，密封球墊16 上仍須保持一定的操作密封比壓，實(shí)現(xiàn)密封。因此需要對(duì)工作壓力下，閥座密封面（即球墊 接觸面）密封比壓進(jìn)行分析，判定球閥設(shè)計(jì)是否滿足密封要求。操作壓力下，球閥球墊密封 面實(shí)際工作比壓q應(yīng)滿足：
[0025]qMF彡q彡[q] (1)
[0026] 其中qMF為密封時(shí)密封球墊上的必須比壓。
[0027]
[0028] (2)式中，材料許用比壓：[q] = 15MPa。
[0029] 由理論公式計(jì)算的密封比壓為平均密封比壓值，不能真實(shí)反映密封比亞值的分 布，本項(xiàng)目采用有限元方法，模擬實(shí)際工況下的密封比壓分布。
[0030] 經(jīng)過(guò)有限元分析，操作壓力下，接觸面的密封比壓云圖見(jiàn)圖2-5。由云圖可 知，球墊密封面的周向并不均勻，最低密封比壓為4. 043MPa(見(jiàn)圖4)，最高密封比壓為 10. 881MPa(見(jiàn)圖2至圖4)，因此當(dāng)最小密封比壓滿足要求時(shí)才保證密封。
[0031] 根據(jù)上述公式計(jì)算：密封面的必須比壓為3. 586MPa，密封面材料許用比壓為 15MPa，接觸面最低密封比壓滿足必須比壓和許用比壓要求，工況1(球閥全開(kāi)）或工況 2 (球閥全關(guān)），接觸面最高密封比壓低于材料的許用比壓，因此操作狀態(tài)下的球閥密封性 能滿足設(shè)計(jì)要求。
[0032] 工況1和工況2 :
[0033] 全開(kāi)或全關(guān)工況，球體、閥體均承受2. 5MPa的內(nèi)壓，外接管外端面施加由內(nèi)壓引 起的軸向拉應(yīng)力18. 78MPa，在球墊外側(cè)面施加內(nèi)壓以及彈簧預(yù)緊等效壓力4. 08MPa(根據(jù) 用戶提供的彈簧組壓緊力計(jì)算）。
[0034] 約束條件為：由于軸對(duì)稱模型，2個(gè)對(duì)稱面上分別施加對(duì)稱約束；為了防止模型在 Y方向移動(dòng)，在軸的端面以及閥體接管法蘭面施加Y方向位移約束；為了防止球墊產(chǎn)生移 動(dòng)，在球墊外周施加Y方向和Z方向位移約束，允許其在流體流動(dòng)方向產(chǎn)生變形。
[0035] 材料及其力學(xué)性能見(jiàn)表1:
[0036]
[0038] 表 1
[0039] 密封球墊片的力學(xué)性能見(jiàn)表2 :
[0040]
[0041] 表 2
[0042] 本發(fā)明對(duì)球閥在不同計(jì)算工況下和操作狀態(tài)下球墊片密封比壓進(jìn)行分析。經(jīng)有限 元分析，球墊片密封比壓滿足必須比壓和許用比壓要求，因此，球閥密封性能符合要求。 [0043] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí) 施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施 例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大口徑全焊接球閥密封性能有限元分析建模方法，其特征在于，包括如下步 驟： 51、 對(duì)焊接球閥球墊建立有限元模型； 52、 對(duì)焊接球閥球體建立有限元模型； 53、 將Sl中建立的球墊模型、S2中建立的球體模型進(jìn)行裝配，得到裝配模型； 54、 采用有限元工具對(duì)S3得到的裝配模型進(jìn)行接觸關(guān)系設(shè)定，球閥球墊與球體之間的 接觸面設(shè)為接觸關(guān)系； 55、 采用有限元工具對(duì)S3得到的裝配模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，得到單元模型? 56、 采用有限元工具在單元模型上施加邊界條件和載荷，然后用有限元工具對(duì)單元模 型進(jìn)行應(yīng)力分析，得到球閥球體與球墊之間密封面應(yīng)力的有限元分析結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑全焊接球閥密封性能有限元分析建模方法，其特征在 于，Sl中有限元模型中所使用的參數(shù)為球墊的主要關(guān)鍵尺寸以及材料的屬性。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑全焊接球閥密封性能有限元分析建模方法，其特征在 于，S2中有限元模型中所使用的參數(shù)為球體的主要關(guān)鍵尺寸以及材料的屬性。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑全焊接球閥密封性能有限元分析建模方法，其特征在 于，S5中采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元solid95 ;球墊與球體，采用的接觸單元類型為Contacl74 和Targetl70。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大口徑全焊接球閥密封性能有限元分析建模方法，S1、對(duì)焊接球閥球墊建立有限元模型；S2、對(duì)焊接球閥球體建立有限元模型；S3、將S1中建立的球墊模型、S2中建立的球體模型進(jìn)行裝配，得到裝配模型；S4、采用有限元工具對(duì)S3得到的裝配模型進(jìn)行接觸關(guān)系設(shè)定，球閥球墊與球體之間的接觸面設(shè)為接觸關(guān)系；S5、采用有限元工具對(duì)S3得到的裝配模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑玫絾卧Ｐ?；S6、采用有限元工具在單元模型上施加邊界條件和載荷，然后用有限元工具對(duì)單元模型進(jìn)行應(yīng)力分析，得到球閥球體與球墊之間密封面應(yīng)力的有限元分析結(jié)果。本發(fā)明能同時(shí)模擬結(jié)構(gòu)、熱、流體以及各種物理場(chǎng)間的耦合效應(yīng)，具有較高精度和評(píng)估價(jià)值。
【IPC分類】F16K5/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105221782
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510674162
【發(fā)明人】徐慶杰, 徐翔, 張楊楊, 王鵬, 孫明偉, 孫曉辰
【申請(qǐng)人】江蘇威爾迪威閥業(yè)有限公司
【公開(kāi)日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年10月16日