一種通用閥門設(shè)計(jì)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種閥口設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，特別是關(guān)于一種通用閥口設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著制造企業(yè)新產(chǎn)品的不斷開發(fā)，技術(shù)更新越來越快，產(chǎn)品的技術(shù)含量越來越高。 企業(yè)為了獲得更大的競爭優(yōu)勢不得不加速提高其核屯、技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，加深產(chǎn)品技術(shù)內(nèi) 涵與縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。為此許多制造企業(yè)采用了不同形式的方法進(jìn)行內(nèi)部設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的 變革。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD、CAM、CAE、C抑技術(shù)已在廣大制造企業(yè)中大量使用。 但是，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在較大程度上仍然依靠眾多設(shè)計(jì)人員依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，來處理海量的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)資源。不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)軟件工具和復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程，是一個(gè)需要經(jīng)過多個(gè)設(shè)計(jì)階段逐 步細(xì)化的、反復(fù)的過程，是人員、資源、工具和過程的綜合。雖然此類軟件、工具已在企業(yè)中 使用，但設(shè)計(jì)過程依靠設(shè)計(jì)人員本身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)來改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是突出問題。
[0003] 隨著閥口作為特種設(shè)備應(yīng)用于發(fā)電、輸氣、化工等行業(yè)，特種設(shè)備關(guān)鍵閥口打破國 際技術(shù)壁壘，閥口進(jìn)入國產(chǎn)化設(shè)計(jì)的新階段。閥口設(shè)計(jì)完成后經(jīng)過檢測合格投入使用后根 據(jù)用戶的反饋來對閥口進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，是閥口優(yōu)化工作的主要方式，整個(gè)產(chǎn)品改進(jìn)周期較 長，只是對閥口長期設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方向；而且閥口設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證性試驗(yàn)可W準(zhǔn)確的指出閥 口目前存在的問題，但是對閥口的優(yōu)化不能提供有效的數(shù)據(jù)支持。但作為特種設(shè)備的閥口 設(shè)計(jì)完成后首要工作是做試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證檢測，但是實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)無法直觀采集，無法 對閥口使用前優(yōu)化提供充分?jǐn)?shù)據(jù)。針對閥口設(shè)計(jì)優(yōu)化化過程中試驗(yàn)環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 對閥口驗(yàn)證分析的使用可大大降低試驗(yàn)成本，為閥口的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。但是目前 在閥口設(shè)計(jì)行業(yè)使用計(jì)算機(jī)仿真作為閥口優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的依據(jù)和支撐也較為單一，缺乏 系統(tǒng)性的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種通用閥口設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，該方法能大大 降低試驗(yàn)成本，并有效縮短實(shí)驗(yàn)周期。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取W下技術(shù)方案；一種通用閥口設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征 在于，所述方法包括W下步驟；1)建立待優(yōu)化閥口的實(shí)體模型，并根據(jù)實(shí)體模型建立相應(yīng) 的有限元模型，對有限元模型的=維幾何體進(jìn)行簡化，W達(dá)到有限元分析對幾何體的要求； 2)根據(jù)有限元模型對待優(yōu)化閥口進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，根據(jù)分析結(jié)果判定待優(yōu)化閥口的安全 性能，并判斷優(yōu)化的可能性；應(yīng)力應(yīng)變分析包括一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和外載荷應(yīng)力分析，經(jīng) 過變形分析后得出待優(yōu)化閥口的易變形位置，體現(xiàn)待優(yōu)化閥口的剛度水平；3)根據(jù)應(yīng)力應(yīng) 變分析結(jié)果建立流道模型，模擬仿真閥口工作過程中的流體狀況，進(jìn)行流場優(yōu)化；流道模型 包括層流分析模型和端流分析模型；4)根據(jù)流道尺寸判斷流動是層流還是端流，并根據(jù)流 道模型計(jì)算雷諾數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)選擇分析模型；判斷雷諾數(shù)是否超過預(yù)先設(shè)定的臨界雷諾 數(shù)，當(dāng)雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)則采用層流分析模型，反之采用端流分析模型；5)將選擇的 分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置邊界條件，模擬仿真閥體內(nèi)流體工作狀態(tài)下的流體的速度 場和壓力場，進(jìn)行流場分析；并對可能出現(xiàn)問題的局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，并放大邊界條件；6) 根據(jù)速度場和壓力場對閥體進(jìn)行噪聲分析，并根據(jù)噪聲分析結(jié)果判斷閥體噪聲是否合格， 若噪聲太大則依次對流道結(jié)構(gòu)和閥口腔體進(jìn)行優(yōu)化，并重建閥口實(shí)體模型進(jìn)入步驟2)，對 閥體重新進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析；反之完成閥體優(yōu)化。
[0006] 所述步驟1)中，對實(shí)體模型的=維幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對幾何體定義材料和 屬性，定義連接，并根據(jù)待優(yōu)化閥口的實(shí)際載荷條件對幾何體施加載荷模擬和邊界條件約 束。
[0007] 所述步驟2)中，待優(yōu)化閥口的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力不能超過閥口使用材料的規(guī) 定范圍，一旦超過，則證明閥口的強(qiáng)度不夠，直接進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力分析，并需要對應(yīng)力過大的 地方進(jìn)行加固處理；如果一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分析結(jié)果遠(yuǎn)小于閥口使用材料的規(guī)定范圍， 則證明此閥口能進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p重處理。
[000引所述步驟3)中，對完成應(yīng)力應(yīng)變優(yōu)化的閥體進(jìn)行流道建模、網(wǎng)格劃分，并將劃分 好的網(wǎng)格導(dǎo)入流體動力學(xué)計(jì)算方法中，對閥體定義邊界載荷。
[0009] 所述步驟4)中，雷諾數(shù)計(jì)算方法如下：
[0010]
[0011] 式中，V為流道截面的平均速度；L為特征長度；V為流體的運(yùn)動粘度；Re為雷諾 數(shù)。
[0012] 所述步驟5)中，流場分析包括W下步驟；a)根據(jù)待分析的閥體建立流道模型；b) 將流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)設(shè)置邊界條件設(shè)定流道模型對應(yīng)的出口和入口，選擇其對 應(yīng)的邊界條件；C)將劃分完網(wǎng)格的流道模型導(dǎo)入流體動力學(xué)計(jì)算方法中，根據(jù)流道的雷諾 數(shù)選著合適的計(jì)算模型；d)選擇該閥口對應(yīng)的邊界載荷，確定邊界載荷后，進(jìn)行迭代分析； e)根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)生成速度矢量圖、壓力云圖，依照生成的數(shù)據(jù)圖尋找閥體內(nèi)的素流區(qū)域、壓 力集中區(qū)域，提出優(yōu)化方案。
[0013] 本發(fā)明由于采取W上技術(shù)方案，其具有W下優(yōu)點(diǎn)；1、本發(fā)明采用對閥體進(jìn)行=維 建模，進(jìn)行仿真分析得出閥口的應(yīng)力和變形情況，用W分析閥口的結(jié)構(gòu)是否能夠承受其內(nèi) 部流體產(chǎn)生的壓力。通過流場分析得出閥口內(nèi)部是否會出現(xiàn)素流或是流道不合理的情況， 通過噪聲分析可W模擬出閥口實(shí)際應(yīng)用中的噪聲情況。通過該些分析為閥口的設(shè)計(jì)提供參 考，大大降低閥口研發(fā)過程中的試驗(yàn)成本，同時(shí)縮短實(shí)驗(yàn)周期，加快了閥口研發(fā)進(jìn)程。2、本 發(fā)明采用多維度優(yōu)化方式，從應(yīng)力、應(yīng)變、流場、噪聲等多維度綜合分析，達(dá)到閥口結(jié)構(gòu)綜合 最優(yōu)化。本發(fā)明可W廣泛在閥口設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的整體流程不意圖；
[0015] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中疏水閥一次應(yīng)力分布示意圖；
[0016] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中疏水閥流道模型示意圖；
[0017]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中對選擇的分析模型定義邊界條件示意圖；
[001引圖5是本發(fā)明實(shí)施例中速度矢量圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種通用閥口設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，包括結(jié)構(gòu)、變形、流場、噪聲 分析和優(yōu)化，主要分為兩個(gè)方面的分析優(yōu)化；一是針對閥口的的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行優(yōu)化，一種是 針對閥口的流場進(jìn)行優(yōu)化。兩個(gè)方面在優(yōu)化過程中相互促進(jìn)、相互制約。應(yīng)力應(yīng)變優(yōu)化主 要針對閥口的腔體剛度等因素，在滿足強(qiáng)度的情況下盡可能的減小制造閥口的使用材料， 為閥口設(shè)計(jì)的輕量化提供數(shù)據(jù)支撐。流場優(yōu)化則針對閥口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可W實(shí)現(xiàn)減低 流體在閥口的動能損耗、降低噪聲、提高使用壽命。該優(yōu)化方法具體包括W下步驟：
[0021] 1)建立待優(yōu)化閥口的實(shí)體模型，并根據(jù)實(shí)體模型建立相應(yīng)的有限元模型，對有限 元模型的=維幾何體進(jìn)行簡化，去除幾何體中如倒角等細(xì)小尺寸，W達(dá)到有限元分析對幾 何體的要求，如網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長比、錐度比、內(nèi)角、翅曲量、拉伸值、邊節(jié)點(diǎn)位置偏差等；
[0022] 對實(shí)體模型的=維幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對幾何體定義材料和屬性，定義連接， 并根據(jù)待優(yōu)化閥口的實(shí)際載荷條件對幾何體施加載荷模擬和邊界條件約束。
[0023] 2)根據(jù)有限元模型對待優(yōu)化閥口進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，根據(jù)分析結(jié)果判定待優(yōu)化閥 口的安全性能，并判斷優(yōu)化的可能性；
[0024] 其中，應(yīng)力應(yīng)變分析過程主要為對待優(yōu)化閥口的變形分析，包括一次應(yīng)力、二次應(yīng) 力和外載荷應(yīng)力分析，經(jīng)過變形分析后可W得出待優(yōu)化閥口的易變形位置，體現(xiàn)待優(yōu)化閥 口的剛度水平。
[0025]待優(yōu)化閥口的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力不能超過閥口使用材料的規(guī)定范圍，一旦超 過，則證明閥口的強(qiáng)度不夠，直接進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力分析，并需要對應(yīng)力過大的地方進(jìn)行加固處 理；如果一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分析結(jié)果遠(yuǎn)小于閥口使用材料的規(guī)定范圍，則證明此閥口可 W進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p重處理。
[0026] 3)根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果建立流道模型，模擬仿真閥口工作過程中的流體狀況， 進(jìn)行流場優(yōu)化；對完成應(yīng)力應(yīng)變優(yōu)化的閥體進(jìn)行流道建模、網(wǎng)格劃分，并將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo) 入流體動力學(xué)計(jì)算方法（CFD)中，在CFD中對閥體定義邊界載荷；
[0027] 其中，由于閥口工作過程中的流體狀況分為層流和端流兩種流體狀況，因此，流道 模型包括層流分析模型和端流分析模型。<