硬密封固定球阀结构有限元分析及优化

摘要

硬密封球阀的密封面具有较高的硬度，可以承受较高的使用温度和管线压力，具有较好的节流调节性能，能抗固体颗粒、汽蚀及闪蒸的损害，并具有良好的密封性能和耐磨性，广泛应用于煤化工、多晶硅、炼油、海上平台和发电厂等。在要求严密关断、高温及高压差、开关迅速、介质含固体颗粒的工况下，金属硬密封球阀是首选的阀门种类。
　　目前硬密封固定球阀在使用中往往出现密封面失效泄漏、阀杆疲劳磨损、球体挤压变形或球体镀层破损，而针对其的理论设计分析多集中在理论结构的优化设计或单一部件的分析，针对最可能导致局部部件失效的组件接触分析以及设计尺寸与接触应力之间关系的探究较少。因此本文中针对上述情况，以方正阀门集团生产的三片式硬密封固定球阀为研究对象，结合非线性接触理论，以数值模拟的方法对硬密封固定球阀阀杆与球体接触、阀座与球体接触组件进行了以下几个方面的研究分析：
　　1.以NPS12、CLASS600的硬密封固定球阀为研究对象，使用 Pro/E软件建立硬密封固定球阀各部件三维模型及总装模型，通过 ANSYS Workbench软件对常用的球体与阀杆接触部位进行非线性接触分析；
　　2.提出三种球体与阀杆接触优化方案，分别建立模型并加载分析，确定不同结构下接触的最大应力，并从中对比，选出最为合适的一种方案；
　　3.对选择出的最优方案，以最大接触应力为目标参数，以球体与阀杆接触部位尺寸为设计变量，对其进行了相关的灵敏性分析；
　　4.对阀座与球体接触部位进行非线性接触分析，得出随开度变化阀座与球体接触应力、最大位移变形的变化规律；分析开度50％和应力最大开度下的等效应力、位移变形，并对阀座有偏转与无偏转进行了对比，同时分析应力最大开度下偏转阀座与球体接触上应力分布规律；
　　5.分析阀座密封面宽度与阀座偏转角度对阀座密封面上最大等效应力和最大位移变形的影响规律；对阀座和球体接触部尺寸进行改进，减少接触应力，满足使用要求。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状综述

1.4 课题主要工作内容

第2章 非线性接触分析算法

2.1 前言

2.2 罚函数法

2.3 拉格朗日乘子法

2.4 增强拉格朗日乘子法

2.5 本章小结

第3章 阀杆与球体非线性接触分析

3.1 阀杆与球体接触理论分析

3.2 有限元模型建立与加载

3.3 材料参数的设定

3.4 有限元模型网格划分

3.5 接触设置

3.6 边界条件与载荷的设置

3.7 静力学分析结果

3.8 本章小结

第4章 阀杆与球体接触优化

4.1 阀杆与球体接触优化方法

4.2 圆弧形阀杆与球体接触

4.3 六边形阀杆与球体接触

4.4 花键形阀杆与球体接触

4.5 优化结果对比分析

4.6 尺寸影响分析

4.7 本章小结

第5章 阀座与球体接触分析与改进

5.1 阀座与球体接触存在的问题

5.2 阀座与球体非线性接触分析

5.3 阀座与球体接触改进

5.4 本章小结

总结与展望

1. 总 结

2. 展 望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文