大型球阀结构优化设计及可靠性分析

摘要

近年来,随着国民经济的不断发展、水电、石油化工等行业对高效、低成本大型球阀的需求越来越大,同时也对大型球阀的性能要求也越来越高。多年来对大口径球阀的结构优化只能依靠工程经验。活门及阀体作为大口径球阀承压主要部件,由于其结构复杂,会产生应力集中、变形不协调,从而导致球阀使用寿命降低并发生泄漏。因此,有必要采用先进的计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技术对大口径球阀活门及阀体的强度、刚度进行数值分析和优化设计,从而为大型球阀结构的改进提供了指导和依据。
　　本文以某型号大型球阀活门及阀体为主要研究对象,运用大型有限元软件ANSYS对其进行有限元静力分析、结构优化、疲劳分析等。主要研究内容如下:
　　1.建立大口径球阀活门及阀体结构的有限元分析模型,分析活门及阀体结构的强度与形变,得到了活门与阀体的等效应力的大小和分布,进而找出了结构的薄弱环节。
　　2.以活门及阀体的质量、刚度作为约束条件,最大应力、最大最大位移作为目标函数,以活门及阀体的基本尺寸作为设计变量,结合敏感性分析及Pareto多目标优化,获得了合理的加强筋结构尺寸和位置,改善球阀整体的应力分布,使其分布更加均匀,提高了球阀整体结构安全性和经济性。
　　3.对改进后的活门及阀体的结构进行可靠性分析,获得寿命、损伤、安全系数等可靠性参数,查找出容易产生疲劳失效的部位,并对大口径球阀的安全性进行了评估,结果表明改进后的活门及阀体在工作压力下是安全可靠的,满足设计要求。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2研究目的和意义

1.3球阀概况

1.4国内外研究的发展与现状

1.5课题研究的主要内容及方法

第二章大口径球阀活门有限元建模及强度分析

2.1大口径球阀活门模型的建立

2.2大口径球阀活门边界条件和载荷的确定

2.3额定压力下活门静力及位移分析

2.4试验压力下活门静力及位移分析

2.5结构优化后活门模型

2.6结构优化后活门静力及位移分析

2.7本章小结

第三章大口径球阀活门结构优化

3.1筋板优化参数的选择

3.2优化方法的选择及求解

3.3响应面参数分析

3.4目标驱动优化

3.5优化后的计算结果

3.6本章小结

第四章大口径球阀阀体有限元建模及强度分析

4.1大口径球阀阀体模型的建立

4.2大口径球阀活门边界条件和载荷的确定

4.3额定压力下阀体静力及位移分析

4.4试验压力下阀体静力及位移分析

4.5本章小结

第五章大口径球阀阀体结构优化

5.1大口径球阀阀体优化参数的选择

5.2响应面参数分析

5.3目标驱动优化

5.4优化后的计算结果

5.5本章小结

第六章大口径球阀的可靠性分析

6.1引言

6.2疲劳分析简介

6.3疲劳累计损伤理论

6.4疲劳分析方法

6.5基于有限元的疲劳分析过程

6.6大口径球阀的疲劳分析

6.7本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2未来工作展望

参考文献

致谢