高压长输管线固定球阀有限元优化设计_张浩强.pdf

1、 目 录摘要.1Abstract.3第一章 绪论.71.1 研究的背景和国内外发展现状.71.2 课题的学术意义及实用价值.111.3 课题研究的主要内容和方法.121.4 本章小结.13第二章 失效分析及结构形式的确定.142.1 管道球阀的结构特点.142.2 管道球阀存在的问题的分析.152.3 管道球阀结构形式的确定.17第三章 橡胶 O 形密封圈轴对称模形接触有限元分析.193.1 有限元法的基本思想.193.2 有限元程序的分析流程.193.3 有限元接触问题的求解方法.203.4 轴对称问题有限元法.223.5 O 型圈超弹性接触问题的有限元分析.273.6 本章小结.41第四章

2、 活动套筒平面应变及主密封弹塑性有限元分析.434.1 平面应变问题有限元法.434.2 弹塑性问题的有限单元法.434.3 大位移问题.474.4 随动强化模型.494.5 阀座及活动套筒的设计.494.6 密封比压计算.524.7 固定球阀密封力计算.564.8 密封有限元计算.59第五章 壳体热结构耦合优化设计.685.1 壳体计算.685.2 优化设计.70第六章 其它零部件的设计.806.1 固定球阀磨擦转矩计算.806.2 平键的强度计算.816.3 经强度校后的零件三维 PRO/E 图.826.4 管线球阀 PRO/E 装配图.84总结和展望.85参考文献.87附录.91致谢.9

3、3摘要随着新材料和新技术在阀门上的应用，以及数控加工设备的逐步普及，特别是在阀门设计上应用ANSYS有限元分析软件进行模拟力学计算，阀门的设计制造水平有了较大的提高。但与西气东输工程中要求的参数，还有一段距离，建一条大口径的管线比建几条小口径的管线更为经济而且采用在一定范围内提高介质的输送压力,同样能够增加效益。因此对长输管线阀门的要求比通用阀门的要求要高得多,要求长输管线阀门具有更高的可靠性、更高的密封性、更高的强度，以确保长输管线安全可靠运行。本论文分析了国内外长输管线球阀的发展过程，并吸收了国内外管线球阀的优点。在此基础上，采用了先进的设计技术，研究了公称通径 1500mm，公称压力 1

4、5MPa 的国内最大管线球阀，具体的工作如下：（1）利用有限元分析软件ANSYS，建立了橡胶O形圈及其边界的有限元模型。通过分析了相同沟槽、不同截面和压缩率下形状的变化和接触压力的大小及其分布，得出槽宽对接触压力没有影响，槽口倒角半径越大，最大接触压力及剪切应力越大，但是变化很慢，影响不大。在压缩率为20%，工作压力为15MPa时，最大接触压力大于工作压力，可以很好地保证密封。并描述了O 形圈可能出现裂纹的位置，为合理地安装和使用提供了理论依据。（2）为便于在密封圈损坏或失效时更换,活动套筒阀座是由两个环状零件组合在一起的，采用 O 形圈密封，O 形圈材料为硬度为 90的丁腈橡胶。在 15MP

5、a 的压力下，其最大密封间隙为 0.3mm，将活动套筒与 O 型密封圈接触部份的圆筒型管体简化为平面应变问题，并利用ANSYS计算出沿半径方向的最大变形不超过0.3mm以及满足材料许用应力的活动套筒壁厚。（3）研究了双向密封结构的管道球阀，阀座截面为矩形，并对阀座与球体的平均密封比压进行计算，以计算出的结果为基础，用双线性强化材料模型来模拟阀座，用刚体模型来模拟阀芯，采用面面接触有限元分析，以理论得出的平均密封比压值为基础，来计算真实密封比压分布规律。结果表明，矩形密封圈压缩率小，接触压力均匀，密封面大，密封效果好。（4）根据等厚压力确定阀体壁厚后，建立阀体，对其做必要的简化后应用 ANSYS

6、 的热结构耦合分析以及结构优化设计。对公式所算出来的阀体壁厚进行优化，得出最佳的阀体壁厚。（5）当球芯的槽磨损后，阀杆与球体旋转不同步，容易引起旋转误差，在阀杆与球体采用四键连接，即可以保证旋转同步也便于维修。关键词：双线性；随动强化；密封比压；面面接触；热结构耦合；优化设计Finite element optimal designof high-pressure long-distance pipeline fixed ball valveAbstractWith the application of new material and tehcnology in valves,andthepopulationofNumericalContorlequipmcnt,especiallytheapplication of ANSYS FEA sotfware in the desing of valves,the desingandmnauacfturinglevelofvalvesmadegoodimporvement.However,there is still a distance