用流固耦合方法对阀体进行应力分析.

作者简介:陈黎明(1968－,

男,辽宁新民人,高级工程师,主要从事阀门质量监督与检查验收工作。文章编号:1002-

5855(201601-0025-02用流固耦合方法对阀体进行应力分析

陈黎明

(海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室,辽宁沈阳110168

摘要

通过Solidworks Flow Simulation 流场分析,并结合单项流固耦合的分析方法,对阀体进行

应力分析,得出阀体的应力分布云图,实现阀门在流通状态下的应力求解。

关键词

阀体;单项流固耦合;应力;Solidworks

中图分类号:TH134

文献标志码:A

Stress Analysis Applied on the Valve

Body by Fluid －Solid Coupling Method

CHEN Li-ming

(Navy Ship Fitting Military Agency Ｒesident in Shenyang ,Shenyang 110168,China

Abstract :By Solidworks Flow Simulation Flow field analysis ,combined with individual fluid －struc-ture interaction analysis method ,stress analysis was carried out on the valve body ,the stress distribution

cloud of the body was obtained and realized stress solution in circulation state of the valve．Key words :body ;individual fluid －structure coupling ;stress ;Solidworks

1

概述

阀门在设计过程中,为保证其在工作条件下的安全性、可靠性及压力边界的完整性,需对阀门进行应力分析和力学计算,计算压力一般按照设计压力或工作压力选取。理论上阀门处于开启状态时,整个阀门腔体不完全承受工作压力,介质静压力对阀门内部的应力分布很难通过常规计算方法求解。因此,引入流固耦合的理论并结合软件进行应力分析,可减小对阀门应力分析和力学计算的误差。2分析

流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下的各种行为,以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一种力学理论。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid －solid interaction ,变

形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动,

而变形或运动又反过来影响流场,从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种相互作用将在不同条件下产生不同的流固耦合现象。流固耦合求解有两场交叉迭代、直接全部同时求解和有限元求解3种方式。

流固耦合的数值计算问题,随着计算机技术的发展,整个的求解趋向于N －S 方程(Navier －Stokes equations 与非线性结构动力学。一般使用迭代求解,也就是在流场和结构上分别求解,在各个

时间步之间耦合迭代,收敛后再向前推进。好处就

是各自领域内成熟的代码稍作修改就可以应用。其中可能还要涉及一个动网格的问题,由于结构的变形,使得流场的计算域发生变化,要考虑流场网格随时间变形以适应耦合界面的变形。3举例

以止回阀阀体(图1为例,利用有限元软件Solidworks FLow Simulation 和Solidworks Simula-tion 对止回阀的阀体进行流固耦合应力分析。阀门公称压力

6.3MPa ,公称通径10mm ,材料F321,设计压力5.8MPa ,设计温度100ħ,进口压力

6.3MPa ,出口压力1.0MPa ,许用应力120.6MPa

。

图1止回阀阀体立体模型

利用Solidworks Flow Simulation 流体软件进行流体部分分析,边界条件设置为进口压力6.3MPa ,出口压力1.0MPa (图2。

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52—2016年第1期

阀门DOI:10.16630/ki.1002-5855.2016.01.010

根据实际受力情况将流场部分的计算结果(压力载荷施加到阀体的腔体,耦合到静力模型中,经计算得到结果(图3

。

(a

流线分布(b 云图分布

图2

阀体压力场

图3阀体应力云图

由阀体应力分布云图并结合应力线性化的曲线图(图4 图6,阀门有3个位置需要评价

。

1．S112．S11薄膜应力3．S11薄膜应力加弯曲应力4．S225．S22薄膜应力6．S22薄膜应力加弯曲应力7．S33

8．S33薄膜应力9．S33薄膜应力加弯曲应力

图4阀体第一个位置应力线性化曲线

第一个位置为阀体中法兰底端的阀颈处,

是一个整体结构不连续区,此处的一次薄膜应力强度不超过32MPa ,一次薄膜加弯曲应力强度不超过49MPa ,一次加二次应力强度不超过90MPa 。第二个位置为阀体左端通径处,此处的一次薄膜应力强度不超过30MPa ,一次薄膜加弯曲应力强度不超过52MPa ,一次加二次应力强度不超过91MPa 。第三个位置为阀体右端通径处,此处的一次薄膜应力强度不超过20MPa ,一次薄膜加弯曲应力强度不超过

42MPa ,一次加二次应力强度不超过80MPa

。

1．S112．S11薄膜应力3．S11薄膜应力加弯曲应力4．S225．S22薄膜应力6．S22薄膜应力加弯曲应力7．S33

8．S33薄膜应力9．S33薄膜应力加弯曲应力

图5

阀体第二个位置应力线性化曲线

由流场压力分布云图和静态应力云图可知,介质压力在阀体中并不是均匀分布的,进口端比出口端压力大。因此,进口端比出口端的应力强度要大,所以认为阀体整个腔体都按照设计压力或工作压力进行应力分析和力学计算是具有一定误差的