基于ANSYS的大型不锈钢阀体有限元分析

0. 295
123
0. 303
121
0. 404
118
0. 565
USUM / mm
最大
最小
1. 029
0. 289
2. 351
0. 702
3. 732
1. 131
4. 811
1. 461
5. 9
1. 791
4. 796
1. 453
4. 804
1. 458
4. 816
1. 457
55
2011 年第 3 期
工况 1 ～ 工况 8 的热-结构耦合分析结果，即等效 应力( SEQV) 和总体位移( USUM) ，列于表 3 中。
工况
1 2 3 4 5 6 7 8
表 3 热-结构耦合分析结果
SEQV / MPa
最大
最小
40. 9
0. 217
65. 3
0. 448
98. 1
0. 417
120
0. 239
148
作压力既存在小的波动，也存在阀体在正常工作状态 而无保温或是保温效果欠佳的可能，从而使阀体除受 工作压力外，还有阀体内、外壁温差，但温差在 5℃ 之 内，分析时其影响可以忽略。对这两种工况进行综合 模拟计算，模拟计算的工况如表 2 所示。
工况序号 1 2 3 4 5 6 7 8
表 2 模拟计算的工况
预紧状态下垫片的最小压紧力 FG 为: FG = 3. 14DGk0 KD ………………………… ( 2)
马小明，等: 基于 ANSYS 的大型不锈钢阀体有限元分析
2011 年第 3 期
图 7 在 2. 8MPa 内压下最大等效应力随温度变化趋势
Fpt = 3. 14DG k0 KDt = 1. 49 × 107 N 密封环面积 S1 = π［( r1 + δ) 2 － r1 2］= 0. 039m2 ， 其中: r1 为密封环内径，r1 = 0. 19m; δ 为密封环的径向 宽度，δ = 0. 03m。进出口水平直管内截面 S2 = πr21 = 0. 113m2 ; 在切断密封时，折算成施加在密封环上的压 力为: P1 = S2 p / S1 = 9. 952MPa，取 P1 = 10MPa; 操作状 态下最 小 压 紧 力 Fp 所 产 生 的 压 应 力 P2 = Fp /S1 = 5. 592MPa，取 P2 = 6MPa; 在操作状态下对流量进行切 换时，阀体与密封环之间的相互作 用 压 力 P = P1 + P2 = 16MPa。将此压力施加在进出口直管段的密封环 面上，并 对 模 型 进 行 调 整，直 管 段 有 内 压 的 等 效 应 力 云图如图 9 所示，直管段无内压的等效应力云图如图 10 所示。
400 17. 99 20. 8 169 0. 308
450 18. 19 21. 5 164
0. 308
1. 3 建立模型 根据阀体的 结 构 尺 寸，采 用 三 维 实 体 模 型，有 限
元单元选用 ANSYS 单元库中的结构分析单元———20 节点 六 面 体 单 元 Solid95［2］。整 体 控 制 网 格 尺 寸 为 0. 015m，以 此 作 为 基 本 尺 寸 进 行 自 由 网 格 划 分，共 193992 个节点，131641 个单元，其有限元计算模型如 图 2 所示。
现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)
针对不同温度和压力，工况 1、工况 3、工况 5 的应 力云图如图 3 ～ 图 5 所示。
工况 1 的位移云图如图 6 所示。
图 3 工况 1 应力云图
图 4 工况 3 应力云图
图 5 工况 5 应力云图
56
图 6 工况 1 位移云图
1) 阀 体 模 型 在 工 况 5 下 的 最 大 等 效 应 力 为 123MPa，是所有工况中最大值; 工况 1 和工况 3 下的最 大等效应力分别为 40. 9MPa 和 98. 1MPa。三种工况下 的最大等效应力均发生在水平法兰的内表面( 见图 5) 。
2) 阀体在工况 1 下的最大变形量为 1. 029mm，在工 况 3 下的最大变形量为 3. 732mm，在工况 5 下的最大变形 量为 5. 9mm，最大位移发生在阀盖末端( 如图 6 所示) 。
1. 5 分析结果 本文采用 间 接 法 对 阀 体 进 行 热-结 构 耦 合［3-4］ 求
解。首先进 行 热 分 析，定 义 热 分 析 单 元、材 料 属 性 和 实常数 等，建 立 模 型，划 分 网 格，施 加 热 边 界 条 件，设 置求解选 项，进 行 求 解。 其 次，将 热 分 析 单 元 转 换 成 结构 单 元，定 义 结 构 单 元 材 料 属 性，施 加 约 束 及 结 构 载荷，读取热分析的节点温度结果，进行求解，得到总 体应力，从而应用后处理器展示应力和变形等结果。
阀体在工 作 中 受 工 作 压 力 作 用，即 有 机 械 载 荷; 阀体内部存在受工作介质的高温作用，外表面受保温 层的保温作用，会形成一定的温度场，即有 热 载 荷。 故需对阀 体 进 行 热-结 构 耦 合 分 析，以 模 拟 其 实 际 工 况，确定其 工 作 应 力 水 平。 考 虑 到 在 实 际 工 况 下，工
19导热系数w弹性模量gpa195191187184181177173169164泊松比308密度建立模型根据阀体的结构尺寸采用三维实体模型有限元单元选用ansys单元库中的结构分析单元20节点六面体单元solid95015m以此作为基本尺寸进行自由网格划分共193992个节点131641个单元其有限元计算模型如边界条件与载荷工况实际工作中的阀体通过两个水平法兰与管道相连接承受其自重及工作载荷且阀体垂直法兰承受自动控制部分的自重约为700kg
0 引言
某石化厂变换气自动切断阀阀体发生了开裂失效， 阀体材料为 SUS304( 相当于 0Cr19Ni9) 不锈钢，阀门长 为 985mm，高为 750mm，内直径为 378mm，最小壁厚为 40mm，最大壁厚( 阀底处) 为 85mm，整个阀体重达 1t。 该阀体除密封环外，其余均为整体铸造成形( 包括 3 个 法兰) ，阀体焊接密封环后进行了固溶处理。该阀体工 作温度为 350 ～ 370℃ ，工作压力为 2. 8MPa，工作介质为 含氢量大于 50% 的变换气。该阀体的设计寿命为 15 年，但在服役 3 年后对其进行设备例行检查时发现阀体 外表面的双闸板密封环所在的进出口直段与阀体腹腔 交界相贯处出现大量断续、分散的裂纹，严重影响了安 全生产。阀体外表面裂纹形貌如图 1 所示。
3) 阀体的整体等效应力随温度呈不断上升的趋 势，且等效应力随温度上升成倍地增大。然而当温度 一定时，压力由 1MPa 上升到 3. 5MPa 时应力下降了 5MPa，这是由于温度一定时工作压力在一定范围内的 升高会对设备起到一定的保护作用。 1. 6 闸板开闭对阀体结构应力的影响
控制闸板用于调节或控制流量，需与阀体。依据阀体的实际形状及功能，预紧力的计算公 式如下［4］。
在图 3、图 4 及图 5 中，应力沿水平法兰由里至外 逐渐 增 大，在 阀 体 其 他 部 位 应 力 分 布 比 较 均 匀，且 较 小。在图 6 中，位移沿水平法兰由里至外逐渐增大; 在 竖直 方 向，阀 体 从 下 往 上 位 移 逐 渐 增 大，且 在 阀 盖 上 达到最大。
图 7 所示为在 2. 8MPa 内压下最大等效应力随温 度变化的趋势，图 8 所示为在 375℃ 下最大等效应力 随内压变化的趋势。由图 7、图 8 以及图 3 ～ 图 6 的求 解表明如下几点。
在利用 ANSYS 软件进行热应力分析时，需输入钢 在不同温度下的力学参数: 如弹性模量、泊松比、导热 系数以及热膨胀系数等。鉴于泊松比参考数据较少，
马小明，等: 基于 ANSYS 的大型不锈钢阀体有限元分析
2011 年第 3 期
对其按式( 1) 进行线性插值模拟［1］: ν = 0. 278 + 8. 23 × 10 －5 T ………………… ( 1)
图 8 在 375℃ 下最大等效应力随内压变化趋势
操作状态下垫片的最小压紧力 Fp 为: Fp = 3. 14DGk1 pfs …………………………… ( 3) 操作状态下垫片最大允许压紧力( 对于金属平垫 片) Fpt为: Fpt = 3. 14DG k0 KDt ………………………… ( 4) 式中: DG 为垫片的平均直径，mm; k0 、k1 为常数，k0 = 0. 8bD，k1 = bD + 5，bD 为垫片宽度，mm; KD 为常温下垫 片材料的变形阻力，N; KDt为设计温度下垫片材料的变 形阻力，N; p 为设计压力，MPa; fs 为密封安全系数，取 值为 1. 2。 由阀体的结构尺寸及操作条件知: DG = 400mm， bD = 40mm，p 取 3. 5MPa，金属垫片材料的变形阻力 KD 和 KDt 如表 4 所示。
Finite element analysis of large cast stainless steel body based on ANSYS
MA Xiao-ming，LIU Zhi-wei ( School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)
100 16. 84 16. 6 191 0. 302
150 17. 06
187 0. 303
200 17. 25 18. 0 184 0. 305
温度 /℃ 250 17. 42
181 0. 3056 7900
300 17. 61 19. 4 177 0. 307
350 17. 79
173 0. 307
Abstract: Finite element analysis method is been used for establishing the finite element computation to the large cast stainless steel body，and also calculated mechanical and thermal coupling stress． Results show that the stress level of valve body is high and stress concentration appears in the joint，which are easy to cause crack． In addition，to open and close the slide is also strengthen the stress level． Key words: valve body; finite element method; thermal-structural coupling
2011 年第 3 期
现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)
CAD / CAE / CAPP / CAM
基于 ANSYS 的大型不锈钢阀体有限元分析
马小明，刘志伟 ( 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640)
摘要: 采用有限元分析方法，对大型铸造不锈钢阀体建立有限元分析模型，并对其进行热-结构耦合分析。分析结果表 明，阀体整体应力水平较高，阀体相贯处存在应力集中，易发生裂纹。另外，闸板的开闭对应力水平有强化作用。 关键词: 阀体; 有限元法; 热-结构耦合 中图分类号: TP391. 9 文献标志码: A 文章编号: 1671—3133( 2011) 03—0054—05
1 阀体应力的有限元分析
1. 1 阀体结构简化 本文主要关注在阀体相贯处及阀体与法兰相接
处的应力水平，鉴于阀体法兰上的开孔及螺栓对所要 关注区域的应力分布影响不大，故忽略法兰上的开孔
54
图 1 阀体外表面裂纹形貌
和螺栓的作用; 阀体上部的自动切断控制系统，其重 力以及对阀体的密封作用不可忽略，故将自动切断控 制系统简化成块状安放在阀体上部; 由于阀体分别关 于两个面完全对称，可采用 1 /4 模型来模拟阀体的力 学行为。 1. 2 材料属性
工作温度 /℃ 100 200 300 375 450 375 375 375
工作压力 / MPa 2. 8 2. 8 2. 8 2. 8 2. 8 1 2 3. 5
图 2 阀体有限元计算模型
1. 4 边界条件与载荷工况 实际工作中的阀体通过两个水平法兰与管道相
连接，承 受 其 自 重 及 工 作 载 荷，且 阀 体 垂 直 法 兰 承 受 自动控制部分的自重( 约为 700kg) 。因此，在建立边 界条件时，需要对水平法兰施加约束以限制其在垂直 方向上的位移。另外，由于计算模型采用 1 /4 模型，故 还需在其对称剖面节点上施加对称约束。
式中: ν 为泊松比，无量纲; T 为温度，℃ 。 阀体材料的热物理性能参数见表 1 。
热物理性能参数
膨胀系数 × 10 － 6 / ℃ 导热系数 /［W·( m·℃ ) － 1］
弹性模量 / GPa 泊松比
密度 / ( kg·m － 3 )
20
15. 2 195
0. 30
表 1 阀体材料的热物理性能参数