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旋塞阀的变形分析与结构优化

标签:旋塞,变形,分析,结构,优化  添加时间:2020年12月03日  点击254

    旋塞阀是最早被人们用来截流的设备,其应用广泛。目前,很多研究者对阀体变形及结构优化做了大量工作,但只是单纯的App模仿计算。旋塞阀阀体是三通结构,把中腔看做主管,流道视为支管。因为阀体开孔处产生很高的应力集中,使密封面产生较大变形而导致密封走漏。因此,为了降低应力集中和过大变形,可在开孔附近步枪。以下通过在旋塞阀外壁布置增强圈、增强筋结构弘鼎世界平台,并采用复合形法优化河南人事考试网,以保证阀门的安全性和经济性。

    1 数学模型

    1.1 设计变量

    在阀体流道开孔壁面上下各设置n道横向增强圈,在横向增强圈之间设置m道纵向增强筋。将所有增强圈、增强筋壁厚都设定为阀体壁厚。在开孔附近进行步枪,故取n=1,m=4,则设计变量为4,上、下横向增强圈的宽度分别为h1、h2,纵向增强筋跨度β、高度H,如图1(a)、(b)所示.设计变量为X=[x1x2x3x4T=[h1h2βH]T

旋塞阀的变形分析与结构优化

图1 阀体增强圈及增强筋结构

    1.2 性能束缚

    (1)阀体强度

    增强圈在其间距段的周全积上均匀地承受内压,将横向和纵向增强筋的壁厚等效均匀地分布到阀体上,取横向增强圈与纵向增强筋对阀体增长的当量壁厚的平均值为Δδ(X),则

    旋塞阀的变形分析与结构优化    (1)

    其中:δ为阀体壁厚(mm);θ1为阀体现实角度的一半(°)。三通结构阀体是薄壁管件,在内压作用下,除承受薄膜应力外(受到应力集中系数的影响),还存在弯曲应力的作用。主管可看成受内压p及支管与阀体相贯线上受拉力q的共同作用。内压p产生的环向应力为

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    内压P产生的轴向应力为

    旋塞阀的变形分析与结构优化    (3)

    其中:Dp为主管平均直径(mm);K1为应力集中系数。支管的单位长度拉力为

    旋塞阀的变形分析与结构优化    (4)

    其中:dp为支管平均直径(mm);p1为密封比压(MPa);ro、ri分别为阀体密封面的外半径、内半径(mm)。

    q可分解成主管径向力q′=qcosα1及环向力q″=qsinα1。它们所产生的环向及轴向应力可近似为

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    旋塞阀的变形分析与结构优化    (6)

    其中旋塞阀的变形分析与结构优化ω1(X)为折算抗弯截面系数;ω1(X)=K(X)[δ+旋塞阀的变形分析与结构优化δ0为支管壁厚(与阀体壁厚δ相称)(mm);α1为q′与支管轴线的夹角(°);μ为泊松比。

    根据圆筒容器小开孔应力分析,开孔最大应力发生在α1=0处,将该值代入式(5)、式(6),可得环向应力旋塞阀的变形分析与结构优化和最大轴向应力旋塞阀的变形分析与结构优化,并分别与式(2)、式(3)中的薄膜应力叠加后,得总的环向应力及轴向应力为

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    旋塞阀的变形分析与结构优化    (8)

    根据最大剪应力强度理论:对于薄壁元件,径向应力为σ3(X)=σr(X)=0。比较式(7)、式(8)中关键词优化排名,σθ(X)、σz(X)的大小,σθ(X)=σ1(X)。则当量应力为σd(X)=σ1(X)-σ3(X)≤[σ]。

    (2)密封面变形

    根据物理方程和几何方程,通过积分求得密封面处阀体变形如下:

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    其中:d为支管内径(mm);z为阀体高度(mm);r为阀体中径处半径(mm);K2为阀体除开孔处弧度;

    εr(X)、εz(X)分别为径向应变、轴向应变;u(X)、υ(X)、w(X)、z(X)、f(X)分别为阀体径向变形、周向变形、轴向变形、阀体等效高度及总体变形(mm)。

    1.3 目标函数及边界束缚

    (1)目标函数

    增强圈和增强筋的体积若为ΔV(X)。要使ΔV(X)最小,必须知足性能束缚的临界条件:①知足应力要求:σd=σ1-σ3=[σ]时,得到阀体增长当量壁厚δ1;②知足变形要求:f(X)=0.001DN时,阀体变形知足密封要求,得到阀体增长当量壁厚δ2,其中DN为阀体公称直径。则取Δδ(X)=max(δ1,δ2),其最小体积为

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    其中:θ2为阀体周角(°);r1为支管外半径(mm);R1为锥形阀体大端外半径(mm)。

    (2)边界束缚

    条件为ximin≤xi≤ximax(i=1,2,3,4),其中:ximax、ximin分别为设计变量上、下极限。

    2 实例分析

    以材料为ZG1Cr5Mo,公称直径为DN=200mm的旋塞阀为例,其物理参数及结构参数见表1。

表1 物理参数及结构参数

旋塞阀的变形分析与结构优化

    2.1 原设计结构阀体应力及变形分析

    根据阀体物理参数及结构参数,由理论计算公式(7)、式(13)和数值计算方法分别计算阀门关闭时原设计结构阀体应力和变形,计算效果如表2所列。数值计算云图如图2、图3所示。             

表2 原设计结构阀体应力及密封面变形分析

旋塞阀的变形分析与结构优化

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图2 原设计结构阀体强度

旋塞阀的变形分析与结构优化

图3 原设计结构密封面变形

    由上述计算效果可知:阀体开孔处的应力大于许用应力,主管与支管交界处变形量>0.001DN,该阀体应力及密封面变形都不知足要求.综上所述,该阀体必要设置增强件以降低应力集中及密封面变形,大家采用复合形法优化设置增强圈和增强筋。

    2.2 增强圈、增强筋结构参数优化

    增强圈、增强筋设计变量极限值如表3所列。取复合形顶点数P=5,反射系数γ=1.3,精度

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    初始可行点

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    共迭代37次,得到知足精度要求的最好处

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    此时:

    minΔV(X*)=1.89912e+006

表3 设计变量极限值

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    各设计变量对目标函数的影响分别见图4(a)、(b)、(c)、(d)。

    各设计变量共同作用下,ΔV(X)转变大致有以下规律:上、下横向增强圈宽度越小,体积越小,当分别趋于13mm、14mm时,体积最小;纵向增强筋跨度越大,体积越小,当趋于36.8°时,体积最小;纵向增强筋高度越小,体积越小,当趋于234mm时,体积最小。

    2.3 优化结构阀体应力及变形分析

    行使体积最小的设计变量优化阀体增强圈和增强筋结构,通过理论计算及有限元数值模仿分析阀体开孔处的应力σ1(X*)和密封面变形f(X*),计算效果见表4。优化后韩国导游,阀体应力云图见图5,密封面变形云图见图6。

    由表4可以看出,两者计算效果基本符合,阀体应力约等于应力临界值,阀体密封面变形知足变形条件。

    3 结论

    (1)三通结构旋塞阀开孔处产生的应力集中,使阀体密封面变形过大而导致密封走漏。为解决上述题目,在阀体外侧布置增强圈及增强筋结构,并采用复合形法优化。

    (2)最优化效果注解:适当减小横向增强圈宽度,增大纵向增强筋跨度,降低纵向增强筋高度,会使增强圈和增强筋的体积减小,优化后比优化前体积降低了20.96%。

旋塞阀的变形分析与结构优化

图4 各设计变量对目标函数的影响

表4 优化结构阀体应力及密封面变形分析

旋塞阀的变形分析与结构优化

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图5 优化结构阀体强度

旋塞阀的变形分析与结构优化

图6 优化结构密封面变形

    (3)优化后的阀体应力及密封面变形分别知足各自的规定要求,比原设计结构的阀体应力和密封面变形量分别降低了28.57%和33.14%。

 

 

 

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