1 引言
連桿蝶閥是蝶閥的一種結(jié)構(gòu)形式，具有加工制造簡單、體積小、重量輕、動作靈活、拆裝方便和密封性好等優(yōu)點，在熱風(fēng)爐系統(tǒng)和預(yù)熱爐系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，作為煙道閥、煤氣切斷閥、煤氣燃燒閥、助燃空氣切斷閥、冷風(fēng)閥等使用，在系統(tǒng)中起切斷作用。因其工作環(huán)境惡劣，閥板都需要有很好的強度，在閥板的優(yōu)化設(shè)計過程當(dāng)中，有很多早期的研究，其中從蝶閥本身結(jié)構(gòu)出發(fā)對連桿蝶閥的結(jié)構(gòu)分析，有對連桿蝶閥閥板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，有對連桿蝶閥的流場受力分析的。盡管這些研究都從各方面對連桿蝶閥進行了優(yōu)化，進而增強了蝶閥的壽命和減小了其成本，但大多沒有從蝶閥本身出發(fā)分析其材料使用情況。本文著重對閥板的立板尺寸進行允許值內(nèi)的優(yōu)化研究，使閥板在保證強度的前提下具有更好的經(jīng)濟效益。
隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展與成熟，其在產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化過程當(dāng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，通過CAD軟件對產(chǎn)品進行三維建模，運用CAE軟件對其進行仿真分析，清楚的看出產(chǎn)品設(shè)計上的不足之處。SolidWorks軟件集設(shè)計、驗證、仿真于一體，以其為平臺的有限元分析方法，在設(shè)計和優(yōu)化工作上更加快捷、**而且可靠，大大的提高了技術(shù)人員的工作效率。
2 結(jié)構(gòu)與受力分析
2.1 結(jié)構(gòu)形式
某公司生產(chǎn)的連桿蝶閥如圖1所示，主要由驅(qū)動裝置、閥板、閥體、主軸、桿系部件組成。系統(tǒng)在工作狀態(tài)時，閥板一直處于受力的狀態(tài)，是磨損*快的零部件，所以連桿蝶閥的壽命取決于蝶閥中閥板的壽命[2]。閥板主要由橫梁、立板、墊板、大圓盤鋼板和座圈組成，如圖2所示。
圖1 連桿蝶閥
1.橫梁；2.立板；3.墊板；4.大圓盤鋼板；5.座圈
圖2 閥板結(jié)構(gòu)與受力分布
2.2 立板的受力分析
在閥門關(guān)閉的狀態(tài)下，閥板要承受流體所有的壓力，此時，立板雖然也處于流體的壓力包裹之中，但與垂直于墊板方向上所受的力相比，其余方向上的力可以忽略不計。如圖2所示，設(shè)作用在墊板、大圓盤鋼板和座圈上的壓強為P，蝶閥的工作壓強P1≤0.26MPa，此處試驗壓強為1.5倍工作壓強，即：
P=1.5P1=0.4MPa （1）
座圈外圍半徑為R（R=0.965m），則閥板沿墊板法線方向受力總和為：
F=PS=PπR2 （2）
由于閥板所受的壓強全部由立板承受，對其等效處理可得到作用在立板上的力。用P1表示每一片立板承受的壓強，S1表示立板底部的面積，立板寬度280mm、厚度40mm，由牛頓第三運動定律得：
（3）
2.3 結(jié)構(gòu)分析選定
線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析是計算在穩(wěn)定的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它是不考慮慣性和阻尼的影響。經(jīng)典力學(xué)理論中，物體的動力學(xué)通用方程為：
（4）
其中[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度系數(shù)矩陣，{x}為位移矢量，{F}為力矢量。因為靜力分析可以計算出固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響，以及近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷，所以在線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析時與時間無關(guān)，即位移{x}可由如下矩陣方程解出：
（5）
其中假設(shè)[K]為一連續(xù)的常量矩陣，材料必須滿足線彈性、小變形理論，允許包含非線性邊界條件，{F}為靜態(tài)加載到模型上的載荷，其不隨時間變化，不包括慣性影響因素。
閥板在工作狀態(tài)下受穩(wěn)定的氣壓載荷，隨時間變化可以近似為靜態(tài)載荷，立板為包含非線性邊界條件的線性結(jié)構(gòu)，所以對立板的有限元分析可以用線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析計算。
3 立板的有限元分析
3.1 立板實體模型的建立
SolidWorks擁有強大的實體建模功能，對立板的建模主要有兩個步驟：一是繪制二維草圖；二是拉伸草圖生成實體。
在建模過程中要處理好單位的設(shè)置，保證SolidWorks和SolidWorksSimulation在運算時使用的單位一致，所以在建模過程中*好使用國際單位制“MKS”，模型如圖3所示。
圖3 固定約束和載荷
3.2 設(shè)置材料屬性
立板的材料選擇是Q235B，在SolidWorksSimulation應(yīng)用材料中有與之對應(yīng)的性能參數(shù)，彈性模量2.1e+11N/m2、泊松比0.28、屈服強度2.35e+8N/m2。
3.3 施加約束和載荷
由圖1可以看出，立板是由銷子連接到主動桿和輔助桿，主動桿和輔助桿再與主軸相連，所以在給立板施加約束時直接將固定約束定義在立板與銷子接觸的圓柱面上。而閥板所受的壓強等效到立板上，即是將壓強作用在立板與閥板接觸的底部端面，如圖3所示。
3.4 網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分是有限元分析中非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格形式和網(wǎng)格單元形狀的選取直接影響到運算結(jié)果的好壞。根據(jù)立板的結(jié)構(gòu)特點和載荷類型選擇實體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小應(yīng)不大于立板的*小壁厚值，相關(guān)網(wǎng)格模型信息見表1，網(wǎng)格劃分模型如圖4。
圖4 網(wǎng)格劃分
表1 網(wǎng)格信息
3.5 運行求解
網(wǎng)格化后的模型以大量線性方程組的形式出現(xiàn)在求解器中，SolidWorksSimulation可以為用戶提供如下三種求解器：Di-rectSpace、FFE和FFEPlus。它們對于小問題的求解都是高效的，但各有側(cè)重：
（1）計算機中可用內(nèi)存越大，DirectSpace求解器的運算速度就越快。當(dāng)模型中使用的材料彈性模量差異很大時（比如鋼和尼龍），DirectSpace比FFE和FFEPlus的精度要高。
（2）如果選擇了FFE結(jié)算器，則“使用平面內(nèi)效果”，“使用彈簧使模型穩(wěn)定”和“使用慣性卸除”選項不可用，F(xiàn)FE是不支持接觸問題和厚外殼公式的。
（3）FFEPlus在處理自由度（DOF）超過100000時，速度比較快。它會隨著問題的變大變得更有效率。
FFE是SolidWorksSimulation默認(rèn)的求解器，運行求解得到立板的應(yīng)力和位移變化量如圖5和圖6。
圖5 應(yīng)力云圖
圖6 位移云圖
此時立板在厚度為40mm時所受的*大應(yīng)力為1.35e+008N/m2，遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力2.35e+008N/m2，*大變形量僅為0.1227mm，由于銷軸與固體自潤滑軸承之間有一定的設(shè)計間隙，所以這樣的變形量，不會影響閥門的正常使用，立板處于允許的**范圍之內(nèi)。
4 立板的優(yōu)化設(shè)計
假設(shè)將立板的厚度設(shè)計由原來的40mm改為30mm，則其他條件相同的情況下，立板承受的壓強P2為：
（6）
SolidWorks采用的是參數(shù)化建模，模型具有很好的再編輯功能，更改立板厚度后，只需要在SolidWorks中將立板拉伸深度更改為30mm，再次對立板進行分析求解便可，對應(yīng)的應(yīng)力和位移變化量如圖7和圖8。
圖7 優(yōu)化后應(yīng)力云圖
圖8 優(yōu)化后位移云圖
從圖中可知立板此時*大變形量只有0.1637mm，*大應(yīng)力為1.75e+008N/m2，仍小于屈服應(yīng)力，因此立板處于**范圍之內(nèi)，不會影響閥門的正常運行。
設(shè)優(yōu)化前后立板質(zhì)量差為ΔM，則整個蝶閥系統(tǒng)在優(yōu)化后的質(zhì)量減少量為：
2ΔM=2ρΔV=2×7800×（5.4-4）×10-3=20.8kg （7）
閥板質(zhì)量減少百分比為K=20.8÷83.4×100%=24.9%，大幅度的減輕了立板的重量。
5 結(jié)束語
通過三維建模軟件SolidWorks及其有限元分析模塊Solid-WorksSimulation成功地對閥板中的立板進行了受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果對立板進行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，優(yōu)化后的經(jīng)濟效益在大批量生產(chǎn)的情況下是顯而易見的，不僅節(jié)約了制造成本，而且使閥板更加輕便。此方法大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，簡化了產(chǎn)品的設(shè)計過程，提高了技術(shù)人員的工作效率及設(shè)計的可靠性和完整性，具有很好的市場推廣性。
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