旋塞阀阀体的变形分析与结构优化

摘要

旋塞阀是一种在工业、农业等国民生产和生活中使用较早的阀门，随着我国工业的大力发展，油田开采、煤气、天然气、液化石油气的输送和储存生产规模也不断地发展壮大，迫切需要对旋塞阀密封提出更高的要求。但是，在生产设备和油气管线中，尤其是高压大口径旋塞阀，在设计和制造过程中，由于强度和刚度不能保证，工程中使用的旋塞阀不易密封，常常会出现“跑、冒、滴、漏”现象，甚至会发生燃烧、爆炸、中毒、烫伤等恶性事故。例如:石油气一旦泄漏，很容易引起火灾;氨气的逸散，是造成厂房爆炸的根源。
　　 旋塞阀的用途与普通阀门的用途基本上没有大的区别，主要用来切断设备和管路的流通。旋塞阀处于关闭状态时，阀体出口端密封面受到介质压力的作用，加上阀体开孔对其结构造成的结构不连续以及对其强度削弱的影响，使得出口端密封面发生较大变形容易引起旋塞阀的密封泄漏。
　　 本文以工程中常用的三通结构旋塞阀为例，根据旋塞阀的密封原理，对旋塞阀阀体进行变形和密封失效分析，通过简化旋塞阀阀体分析模型，推导了旋塞阀阀体应力计算公式，结合物理方程及几何方程，导出了阀体密封面变形计算公式，依据密封失效判据，判断阀体的强度和密封是否失效。同时，根据开孔补强设计，对密封失效的阀体进行加强设计，并推导了带有加强件的旋塞阀阀体应力和密封面变形计算公式。利用优化设计方法，采用C语言编程获得了最佳设计方案。为了验证理论分析和计算的合理性，本文采用ANSYS-Workbench有限元分析软件作为建模和分析平台，对公称通径DN200的三通结构旋塞阀应力分析及密封面变形分析进行了验证计算，为工程设计提供了理论参考依据。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．1．1 研究目的

1．1．2 研究意义

1．2 旋塞阀的国内外研究现状

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内发展现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文主要的探索和创新点

1．5 本章小结

第2章 旋塞阀概述

2．1 概述

2．2 旋塞阀的特点

2．3 旋塞阀的分类

2．4 旋塞阀的结构

2．5 旋塞阀的选用

2．6 本章总结

第3章 旋塞阀密封失效分析

3．1 旋塞阀的密封原理

3．2 旋塞阀密封失效分析

3．3 阀体应力分析

3．3．1 阀体开孔对强度的影响

3．3．2 圆筒容器小开孔应力分析

3．3．3 阀体应力计算

3．4 密封面变形分析

3．5 本章小结

第4章 结构优化

4．1 概述

4．2 阀体补强方法

4．3 优化方法的定义

4．4 最优化问题数学模型

4．5 机械优化设计数学模型的建立

4．5．1 设计变量

4．5．2 约束条件

4．5．3 目标函数

4．6 旋塞阀加强件优化设计数学描述

4．6．1 设计变量

4．6．2 性能约束

4．6．3 边界约束

4．6．4 目标函数

4．7 约束优化方法概述

4．8 优化设计方法的选择

4．8．1 随机方向法

4．8．2 可行方向法

4．8．3 惩罚函数法

4．8．4 增广乘子法

4．8．5 线性逼近方法

4．8．6 结构优化法

4．8．7 复合形法

4．9 本章小结

第5章 实例分析

5．1 基本参数

5．2 原结构阀体应力及变形分析

5．3 旋塞阀有限元分析

5．3．1 有限元法的基本思想

5．3．2 有限元分析与ANSYS Workbench

5．3．3 旋塞阀阀体有限元几何模型的简化

5．3．4 旋塞阀阀体有限元几何模型的建立

5．3．5 网格划分

5．3．6 约束及载荷

5．3．7 原结构旋塞阀阀体的应力分析

5．3．8 原结构旋塞阀阀体的变形分析

5．4 补强后的性能约束及目标函数计算

5．5 补强后的旋塞阀阀体应力分析

5．6 补强后的旋塞阀阀体变形分析

5．7 加强圈及加强筋结构参数优化

5．8 优化补强后的性能约束及目标函数计算

5．9 优化补强后的旋塞阀阀体应力分析

5．10 优化补强后的旋塞阀阀体变形分析

5．11 性能约束及目标函数对比分析

5．12 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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