一种基于CAE技术的胶管阀优化设计方法

摘要

本发明涉及一种基于CAE技术的胶管阀优化设计方法，包括以下步骤：A、确定胶管阀的主要工作部件阀体和橡胶管，采用三维建模软件分别初步设计阀体和橡胶管的三维模型；B、根据三维模型分别建立阀体和橡胶管的有限元分析模型；C、通过ANSYS分别对阀体和橡胶管的有限元分析模型进行仿真分析，并根据仿真分析结果对阀体和橡胶管进行优化设计；本申请通过将胶管阀的两个主要零部件分开设计，并分别进行仿真分析，在根据仿真结果对两个零部件分别进行优化设计，并且，由于ANSYS本身的建模功能并不强大，本申请采用三维建模软件预先建立三维模型，再根据三维模型建立有限元分析模型的方式，大大节约了计算周期成本。

说明书

技术领域

本发明涉及浇注系统胶管阀结构设计技术领域，具体涉及一种基于CAE技术的胶管阀优化设计方法。

背景技术

胶管阀中独有的弹性套管是唯一与生产过程的介质相接触的部件。弹性套管将阀芯、阀座、法兰密封面的作用合一。正是由于弹性套管的特点，胶管阀使用在固体颗粒物料场合时，与其他类型的阀门如闸阀、球阀、旋塞阀相比，它的应用更持久，使用寿命更长。因为在其他阀门中带有偏转角，对被控制的介质具有剪切作用。而胶管阀是直通阀，其橡胶弹性阀座比钨铬钴合金阀座控制阀更耐用。弹性套管的弹性与物料接触时，摩擦力会非常小，它的关闭和锁紧力是非常缓和的。因此，不会夹碎物料。弹性套管的制造材料非常耐用，不会因为阀门的频繁动作造成密封不严。因此，这种阀门非常适于安装在装有易碎固体容器的卸料口。

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，具有强大的有限元分析及前后处理功能，广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业产品分析及科学研究，在行业内具有很高认知度和影响力。该软件从1971年面市至今，其版本一直在不断更新，功能不断增强，早期版本仅提供结构线性分析和热分析，现在已发展为集结构、热、流体、电磁、声学的高级多物理场耦合分析于一体的多功能分析软件。

我国关于阀设计的著作里对于胶管阀的设计理论很少，国外对于胶管阀的设计理论目前未见报道，所以胶管阀的设计工作具有很大的困难。胶管是阀的关键零件，一旦胶管被选定，阀的其它结构和尺寸也基本随之确定。胶管阀只有胶管是易损件，只需更换胶管，基本不需要进行其它的日常维护保养，更换胶管就等于更换了一台崭新的阀。但是，橡胶管的使用寿命是制约胶管阀能进一步推广和广泛应用的关键问题，橡胶管是由一种或多种非线性材料组成，研究存在一定的难度，因而对于胶管阀结构的改型研究也具有相当难度，本发明旨在提出一种结合ANSYS软件对于胶管阀结构进行优化设计的设计方法。

发明内容

基于上述表述，本发明提供了一种基于CAE技术的胶管阀优化设计方法，以解决现有技术中胶管阀结构优化设计困难的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于CAE技术的胶管阀优化设计方法，包括以下步骤：

A、确定胶管阀的主要工作部件阀体和橡胶管，采用三维建模软件分别初步设计阀体和橡胶管的三维模型；

B、根据三维模型分别建立阀体和橡胶管的有限元分析模型；

C、通过ANSYS分别对阀体和橡胶管的有限元分析模型进行仿真分析，并根据仿真分析结果进行阀体和橡胶管的优化设计。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

本申请通过将胶管阀的两个主要零部件分开设计，并分别进行仿真分析，在根据仿真结果对两个零部件分别进行优化设计，并且，由于ANSYS本身的建模功能并不强大，本申请采用三维建模软件预先建立三维模型，再根据三维模型建立有限元分析模型的方式，大大节约了计算周期成本。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，步骤B中根据三维模型建立阀体的有限元分析模型包括：

B1、确定阀体的三维模型的材料，并获得相应材料的特性参数；

B2、确定阀体和橡胶管的三维模型所用单元；

B3、将阀体和橡胶管的三维模型分别导入ANSYS形成阀体和橡胶管的有限元分析模型，并分别划分网格。

进一步的，所述特性参数包括弹性模量、泊松比和密度。

进一步的，所述阀体的三维模型所用单元为solid45所述橡胶管的三维模型所用单元为PLANE183。

进一步的，所述对阀体的有限元分析模型进行仿真分析包括：

C1、向ANSYS中导入阀体边界条件和外部载荷，分析计算得出橡胶管的最大受力部位。

进一步的，所述对橡胶管的有限元分析模型进行仿真分析包括：

C21、向ANSYS中导入橡胶管边界条件和外部载荷；

C22、分析计算得出橡胶管的最大受力部位。

C23、以橡胶管挤压部位建立二维有限元分析模型；

C24、向ANSYS中导入橡胶管挤压部位的边界载荷的约束条件，分析计算得出橡胶管完全闭合所需要的夹紧力。

进一步的，所述对阀体和橡胶管进行优化设计包括对阀体和橡胶管的最大受力部位进行结构的优化设计，并通过ANSYS对优化设计后的结构进行仿真分析。

进一步的，所述三维建模软件为CAD、solidworks、Pro/E或者UG。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于CAE技术的胶管阀优化设计方法的步骤示意图；

图2为本发明提供的方法使用过程中的阀体的一种初始设计结构；

图3为图2的加载应力分布示意图；

图4为本发明提供的方法使用过程中的橡胶管的初始设计结构的加载应力分布示意图；

图5为本发明提供的方法使用过程中的阀体的一种优化设计结构；

图6为图5的加载应力分布示意图；

图7为本发明提供的方法使用过程中的橡胶管的一种优化设计结构；

图8为图7的加载应力分布示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、主体；2、法兰；3、小直径圆管；4、圆锥管；5、筋结构、61、橡胶管端面；62、圆柱面；63、锥形面。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

如图1所示，本申请提供了一种基于CAE技术的胶管阀优化设计方法，包括以下步骤：

A、确定胶管阀的主要工作部件阀体和橡胶管，采用三维建模软件分别初步设计阀体和橡胶管的三维模型；

需要理解的是，由于胶管阀的阀体和橡胶管为两种完全不同的结构构件，具体的，阀体为刚性构件，橡胶管为柔性构件，将两者组合进行仿真分析计算量大，耗时长，但是由于两者在使用过程中的外部载荷是清楚明了的，因而本申请采用分别进行优化设计的解决方案，

其中，本实施例中采用的三维建模软件为Pro/E，由于ANSYS本身的建模功能并不强大，在ANSYS下对实体进行建模费时费力，故利用ANSYS与Pro/E之间良好的兼容性，首先在Pro/E下对两种结构实体建模，之后导入ANSYS进行分析计算，大大节约了计算周期成本；在另一些实施例中，还可以采用其他的三维建模软件，如CAD、solidworks或者UG，在此不一一列举。

如图2所示，本申请初步设计的阀体三维模型主体1为圆柱状，上下端部连接法兰3，法兰3靠近主体1的部位采用小直径圆管2连接，主体与小直径圆管2之间采用圆锥面4过渡连接，这样的结构是目前市面上常用的阀体，本申请实施例采用该结构进行仿真分析并进行相应的优化设计。

B、根据三维模型分别建立阀体和橡胶管的有限元分析模型。

具体的步骤B包括：

B1、确定阀体的三维模型的材料，并获得相应材料的特性参数；

B2、确定阀体和橡胶管的三维模型所用单元；

B3、将阀体和橡胶管的三维模型分别导入ANSYS形成阀体和橡胶管的有限元分析模型，并分别划分网格。

由于橡胶管的材料一般选择为天然橡胶，其材料材质不需要在设计中另外确定，阀体一般可采用金属内或者非金属建材类结构，故存在材质确定。

在本实施例的一种具体使用中，确定阀体为不锈钢，其对应的特性参数如下表1所示，

单位：弹性模量E-Mpa，密度ρ-kg/m

然后根据所确定的材料确定三维模型所用单元，例如，在本实施例中，阀体三维模型所用单元为solid45，其中，solid45单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力，单元所需定义的材料常数主要有杨氏弹性模量，剪切弹性模量和密度等。输出结果主要有节点各方向应力、应变、位移、主应力和主应变等。

将在Pro/E里绘制好的阀体三维模型直接导入ANASYS即得到阀体的有限元模型，考虑到便于逼近曲线边界，模型采用三角形单元，自动划分网格形式，划分后共有节点6403，单元数量为22325。

对于橡胶管而言，除去橡胶管中间圆柱部分，其余的实体部分都固定不动，固可将橡胶管简化成半个圆柱体，圆柱体的一端定义为全约束，另一端定义为对称约束，将在Pro/E中建模好的橡胶管模型导入ANSYS中得到其三维有限元模型，其中，所述橡胶管的三维模型所用单元为PLANE183。

C、通过ANSYS分别对阀体和橡胶管的有限元分析模型进行仿真分析，并根据仿真分析结果进行阀体和橡胶管的优化设计。

根据上面描述可知，对阀体和橡胶管的有限元分析模型进行仿真分析为独立分别进行的步骤。

其中，对阀体的有限元分析模型进行仿真分析包括：

C1、向ANSYS中导入阀体边界条件和外部载荷，分析计算得出橡胶管的最大受力部位。

具体的，结合胶管阀在具体使用中的固定和受力情况，胶管阀一端固定，将其定义为全约束。其上端定义定值的压强载荷，大小通过计算(以5吨固定载荷计算)可得为1.676Mpa。

在ANSYS对阀体模型加载后得到相应的阀体位移图、应变图和应力图(图3)，并根据应力图可知阀体受压后受力最大部位在中部圆柱主体与圆锥面相交处，可见这一部位最容易发生疲劳失效，因而，本次的阀体结构设计主要考虑这一部位的结构变化，以便改善其受力情况，延长使用寿命。

其中，对橡胶管的有限元分析模型进行仿真分析包括：

C21、向ANSYS中导入橡胶管边界条件和外部载荷；

C22、分析计算得出橡胶管的最大受力部位。

C23、以橡胶管挤压部位建立二维有限元分析模型；

C24、向ANSYS中导入橡胶管挤压部位的边界载荷的约束条件，分析计算得出橡胶管完全闭合所需要的夹紧力。

具体的，由于橡胶管几何及受力情况两边对称，为了简化模型，减少计算时间，取橡胶管的一半进行加载计算。

为了简化计算，将药料通过橡胶管时产生的内压忽略不记。工作时阀内抽真空，同时往阀体的进气口充气，产生一个定值的气压，从而压缩橡胶管，关闭阀门。阀门的开度可以通过调节充气压力进行控制。其有限元法模拟的外部受力情况为在橡胶管圆柱面施加一定值压强载荷，本实施例中，设定气压的大小为0.5Mpa。

在ANSYS对橡胶管模型加载后得到相应的橡胶管应力图(图4)，并根据应力图可知橡胶管应力最大处为圆柱面根部与法兰盘相接触的部位，其应变也最大，故优化设计时应着重考虑此处的结构设计。

其中，对阀体和橡胶管进行优化设计包括对阀体和橡胶管的最大受力部位进行结构的优化设计，并通过ANSYS对优化设计后的结构进行仿真分析。

具体的，相对于阀体而言，由于阀体受压后受力最大部位在中部圆柱主体与圆锥面相交处，因而，为了减少此部位的应变和应力情况，根据该部位的受力，如图5所示，可以考虑在上下两端的法兰3之间加入筋结构5，其中筋结构5沿长度方向贯穿整个阀体。

然后进行优化结构的仿真验证，具体为，采用与加筋前一致的有限元划分网格方法，以便最小的减少划分网格对优化前后结果的影响，其中模型为自动划分网格形式，模型共有个节点7772，单元数量为26081，对优化设计后的阀体进行有限元分析，分别得到阀体的位移图，应变图和应力图(图6)，阀体加载后的应力最大处已经转移到筋结构5与主体1相交处，且最大值也有所减少，具体如下表2所示：

通过上表可以看出，加筋后的阀体所受最大应力比加筋前减少了18.2％，应变减少了8.1％，较大的改善了阀体的受力情况，对提高阀体安全性能有很大的帮助，同时延长了阀体的寿命，至此即完成了阀体结构的优化，本申请实施例的优化设计方法在使用时，本领域技术人员可以根据现有技术或者市面上已有的产品结构对阀体作初始三维结构设计，并不局限于本申请所限定的结构，在进行优化设计时，本申请所提供的方法只是帮助设计人员找到最容易受损部位，然后根据基础机械原理对该部位做结构改进，因而本领域技术人员对于阀体的结构改进不一定与本实施例的改进方案相同，在此不做限制。

相对于橡胶管而言，橡胶管在端面与圆柱面相交处所受应力及应变最大，最容易破损失效。

因而为了减少此部位的应变和应力情况，根据该部位的受力，如图7所示，将橡胶管端面61与圆柱面62接触处通过锥形面63过度，设计此种方式的思想是在橡胶管变形后是什么形状就预先将其设计成这一形状以减小其变形后的应力及应变；然后对胶管阀的法兰盘结构做相适应的改进，通过法兰盘的锥面将橡胶管压紧。

然后进行优化结构的仿真验证，具体为，取对称的橡胶管的一半，由于橡胶管的锥面大部分都被法兰盘压紧，固在建模时只取锥面5mm的一小段，其外端设定为全约束，橡胶管的另一端还是对称约束。外载荷不变，为0.5Mpa，模型划分网格，分析计算后橡胶管的位移、应变、应力图(图7)，可知优化设计后的橡胶管的受力最大处没有发生变化，依然是根部与法兰盘相接触部分，但其应力已减小，可见优化后的橡胶管在受力情况上有了较大的改善，对延长其使用寿命有很大的帮助。

由于橡胶管结构的有限元分析存在三重非线性，即材料非线性，几何非线性以及接触非线性。为了后续结构的选择和优化，本申请实施例还需要对橡胶管夹紧情况下的模型做仿真分析。

具体的，为了简化模型，节约计算时间，本实施例对挤压式胶管阀的有限元分析为二维计算。其中橡胶管的上下夹板为刚体，选用不锈钢材料。建立模型时共有3对接触对，分别为上夹板与橡胶管外壁、下夹板与橡胶管外壁以及橡胶管内壁间接触。上下夹板所用单元为PLANE42,橡胶管所用单元为PLANE183。

其中，PLANE42用于建立2维实体结构模型。本单元既可用作平面单元(平面应力或平面应变)，也可以用作轴对称单元。本单元有4个节点，每个节点有2个自由度，分别为x和y方向的平移。本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。并有一个选项可以支持额外的位移形状。

PLANE183是一个高阶2维8节点单元。PLANE183具有二次位移函数，能够很好地适应不规则模型的分网(例如由不同CAD/CAM所产生的模型)；本单元有8个节点，每个节点有2个自由度，分别为x和y方向的平移。本单元既可用作平面单元(平面应力、平面应变和广义平面应变)，也可用作轴对称单元。本单元具有塑性、蠕变、应力刚度、大变形及大应变的能力。并具有力-位移混合公式的能力，可以模拟接近不可压缩的弹塑性材料的变形。支持初应力选项。有多种打印输出选项可用。

划分网格，共有节点数37248个，为了更好的适应边界，橡胶管采用三角形单元，单元总数为7950个；夹板采用四边形单元，由于夹板为刚体，不存在大变形，故对其建模时采用简化处理，上下两夹板分别划分为120个单元，单元只有一层。系统共有3对接触对，分别是上夹板与橡胶管上表面，下夹板与橡胶管下表面，橡胶管内表面之间。值得注意的是，上下夹板的长度要足够长，具体应略大于橡胶管的周长一半减去两倍壁厚，这样才能保证胶管阀关到位后夹板长度能大于橡胶管的闭合线；当橡胶管完全闭合时，分析计算出，橡胶管完全闭合所需要的夹紧力。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

本申请通过将胶管阀的两个主要零部件分开设计，并分别进行仿真分析，在根据仿真结果对两个零部件分别进行优化设计，并且，由于ANSYS本身的建模功能并不强大，本申请采用三维建模软件预先建立三维模型，再根据三维模型建立有限元分析模型的方式，大大节约了计算周期成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。