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(diǎn)，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(qiáng)度，在閥板的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)而增強(qiáng)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(jìn)行允許值內(nèi)的優(yōu)化研究，使閥板在保證強(qiáng)度的前提下具有更好的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jìn)行三維建模，運(yùn)用CAE軟件對其進(jìn)行仿真分析，清楚的看出產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的不足之處。SolidWorks軟件集設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、仿真于一體，以其為平臺的有限元分析方法，在設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，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(jì)。如圖2所示，設(shè)作用在墊板、大圓盤鋼板和座圈上的壓強(qiáng)為P，蝶閥的工作壓強(qiáng)P1≤0.26MPa，此處試驗(yàn)壓強(qiáng)為1.5倍工作壓強(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)，S1表示立板底部的面積，立板寬度280mm、厚度40mm，由牛頓第三運(yùn)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(jì)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?yàn)殪o力分析可以計(jì)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(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化載荷，所以在線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析時(shí)與時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算。
3 立板的有限元分析
3.1 立板實(shí)體模型的建立
SolidWorks擁有強(qiáng)大的實(shí)體建模功能，對立板的建模主要有兩個(gè)步驟：一是繪制二維草圖；二是拉伸草圖生成實(shí)體。
在建模過程中要處理好單位的設(shè)置，保證SolidWorks和SolidWorksSimulation在運(yùn)算時(shí)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)等效到立板上，即是將壓強(qiáng)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(gè)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(yùn)算結(jié)果的好壞。根據(jù)立板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷類型選擇實(shí)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(yùn)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(jì)算機(jī)中可用內(nèi)存越大，DirectSpace求解器的運(yùn)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(shí)（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(xiàng)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(shí)，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(yùn)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(shí)立板在厚度為40mm時(shí)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(jì)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(jì)
假設(shè)將立板的厚度設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jìn)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(shí)*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(yùn)行。
設(shè)優(yōu)化前后立板質(zhì)量差為ΔM，則整個(gè)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(jìn)行了受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果對立板進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)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(jì)過程，提高了技術(shù)人員的工作效率及設(shè)計(jì)的可靠性和完整性，具有很好的市場推廣性。
本文鏈接：http://www.klevalve.com