ANSYSWorkbench在球閥疲勞磨損分析中的應(yīng)用

1、煤礦機械Coal Mine MachineryVol. 31No.09Sep. 2010第31卷第09期2010年09月1球閥結(jié)構(gòu)與工作環(huán)境球閥是以球體作為關(guān)閉件的閥門，主要由閥體、閥座、閥桿和驅(qū)動裝置組成，在管道中起切斷和接通流體通道，調(diào)節(jié)介質(zhì)流量和壓力等作用。球閥按結(jié)構(gòu)分為浮動球球閥和固定球球閥，其中浮動球球閥應(yīng)用最廣泛。它的球體自由支承在密封座上，靠流體介質(zhì)壓力使球體在流動方向產(chǎn)生一定位移并與密封座密封面緊密接觸，形成一定的密封比壓而實現(xiàn)密封。經(jīng)分析流體介質(zhì)的狀態(tài)和組成對球閥密封性能和磨損有很大影響，一般情況下球閥流體介質(zhì)為液-液或氣-液混合物時球閥磨損較小。但當(dāng)流體介質(zhì)為氣-固混合物或

2、液-固混合物而且固體粒子硬度較高時，密封座密封面的過度磨損較嚴重而最終導(dǎo)致失效。因此，選擇合適的球閥材料和密封面表面處理狀態(tài)對球閥的可靠性和耐久性有直接影響。2球閥疲勞磨損機理與密封模型的簡化2.1球閥疲勞磨損機理對磨損問題按磨損機理不同，將磨損分為疲勞磨損、磨粒磨損、黏著磨損、腐蝕磨損4種基本類型。球閥由于啟閉頻繁，球體與密封座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩較大，使密封座密封面受到一定大小的接觸循環(huán)應(yīng)力作用，在密封座表層有缺陷的部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致形狀、尺寸或重量等參數(shù)在磨損過程中均發(fā)生變化而出現(xiàn)凹坑或裂紋。經(jīng)分析在球閥密封座表層同時存在著脈動循環(huán)的剪應(yīng)力和脈動循環(huán)的正應(yīng)力，這2個力對凹坑或裂紋的出現(xiàn)

3、和擴展起決定性作用。因此，接觸循環(huán)應(yīng)力引起的疲勞磨損在球閥磨損失效問題中是最主要的。2.2密封模型的簡化由于球體的剛性較大，將球閥密封結(jié)構(gòu)分解為密封圈和密封座，將密封座簡化為剛性件，因為T 型槽對磨損分析影響不大，故將球體模型簡化為球形。由于浮動球閥是出口側(cè)密封，所以只分析球體一側(cè)的密封性能。浮動球球閥的密封簡圖如圖1所示。圖1浮動球閥受力簡圖3磨損失效分析計算3.1建立密封模型以浮動球球閥為例，在ANSYS Workbench 有限元分析軟件中建立如圖2所示的球閥密封模型。選擇球體材料為結(jié)構(gòu)鋼，密封座材料為聚四氟乙烯，在Engineering Data 中輸入材料的彈性模量、泊松比、S-N

4、疲勞曲線等參數(shù)。在球體上與閥座對稱的ANSYS Workbench 在球閥疲勞磨損分析中的應(yīng)用馬邊際1，王偉1,2，秦飛龍1,2（1. 中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116; 2. 中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州221116）摘要：簡要介紹了球閥疲勞磨損產(chǎn)生的原因和機理，以ANSYS Workbench 有限元分析軟件為基礎(chǔ)建立了球閥密封模型，分析了球閥壓力載荷的變化對閥體疲勞壽命所產(chǎn)生的影響，并提出了相應(yīng)的改進措施和延長球閥使用壽命的方法。關(guān)鍵詞：失效；循環(huán)應(yīng)力；疲勞磨損中圖分類號：TG931.72；TP39文獻標志碼：A文章編號：10030794（2010）09023103Ana

5、lysis of Fatigue Wear in Ball Valve Fatigue Wear Based onANSYS WorkbenchMA Bian-ji 1，WANG Wei 1,2，QIN Fei-long 1,2(1School of Applied Science and Technology ，China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Chemical Engineering Technology, China University of Mining and

6、Technology, Xuzhou 221116, ChinaAbstract:The causes and the mechanism to the ball valve of fatigue wearing are introduced. Using the finite element ANSYS Workbench analysis the ball valve fatigue life and descript the impact of changes in pressures load. And make some measures to improvement the bal

7、l valve fatigue wear and to extend the fatigue life.Key words:fatigue failure; cyclic stress; fatigue wear PD M WD M ND M PNN231第31卷第09期Vol.31No.09ANSYS Workbench 在球閥疲勞磨損分析中的應(yīng)用馬邊際，等單位面上施加1.6MPa 的壓力，根據(jù)球閥的密封結(jié)構(gòu)，設(shè)置密封座外側(cè)面沿X 軸方向的位移為0，沿Y 軸、Z 軸方向的位移不受限制；設(shè)置密封座外端面沿X 軸方向的位移不受限制，沿Y 軸、Z 軸方向的位移為0，設(shè)置好的環(huán)境變量如圖3所示。對密

8、封模型進行網(wǎng)格劃分時在密封座內(nèi)側(cè)設(shè)置比其他處大的網(wǎng)格精度，這樣可以得出更多的節(jié)點應(yīng)力值，使結(jié)果更加精確而又節(jié)省時間。系統(tǒng)對球閥密封模型進行自動網(wǎng)格劃分，劃分好的網(wǎng)格精度如圖4所示。 圖2球閥密封模型的簡化圖 圖3球閥密封模型約束與載荷的設(shè)置 圖4網(wǎng)格劃分3.2設(shè)置求解參數(shù)在Static Structural 下, 設(shè)置求解參數(shù)。選擇In -sert/StressIntensity 選項, 插入最大剪應(yīng)力理論(Tresca強度準則 的SINT 應(yīng)力來尋找閥體峰值應(yīng)力出現(xiàn)的位置。選擇Insert/Fatigue /FatigueTool 選項設(shè)置疲勞強度削弱系數(shù)為0.8；考慮到閥體內(nèi)側(cè)壓力由0變化

9、到工作壓力, 再由工作壓力變化到0的循環(huán)過程，選擇“Zero-Based ”、R =0的脈動循環(huán)載荷來模擬“啟動-停止”時的疲勞；在分析類型中選擇Stress Life 選項來評定高周疲勞；在主應(yīng)力理論選項中Soderberg 關(guān)系對疲勞壽命的估計比較保守，因此選擇適合于多數(shù)工程合金的Soderberg 應(yīng)力。在Fatigue Tool 中, 選擇Insert/life 、Damage 、Safety Fac -tor 選項, 設(shè)置閥體的疲勞壽命、疲勞累積損傷系數(shù)和安全系數(shù)，設(shè)定設(shè)計壽命(DesignLife 均為2000次循環(huán)。3.3求解分析在ANSYS Workbench 有限元分析軟件中

10、，按照以上簡化模型和參數(shù)的設(shè)置，對球閥密封座密封面的疲勞磨損失效分析進行求解。（1）在Stress Intensity 中查看閥體的應(yīng)力云圖。由應(yīng)力云圖可看出，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在閥體中腔與出口的交界面最頂端，與工程實際經(jīng)驗結(jié)論相符合。因此該處的疲勞分析是正確的。（2）在Fatigue Tool/Life中查看閥體最小壽命分布，得出最小壽命為100000次循環(huán)。（3）在Fatigue Tool/Damage選項中查看閥體的疲勞累積損傷系數(shù)，最大疲勞累積損傷系數(shù)為0.020<1，說明設(shè)計合格。（4）在Fatigue Tool/SafetyFactor 中可以看出整個球閥模型云圖均為紅色，疲勞安

11、全系數(shù)為15>1，說明此球閥偏安全。4減小球閥疲勞磨損失效的措施從球閥疲勞磨損的機理可知，凡是能夠阻止凹坑或裂紋的形成及擴展方法都可以減小球閥疲勞磨損。減小球閥疲勞磨損失效的措施一般有以下幾點：（1）在密封座中開卸壓槽或在球體上鉆卸壓孔，可以平衡一定的壓力，同時可以減小球體的彎曲變形和球閥啟閉過程中的壓力差。（2）合理選擇密封副的間隙。由于球閥閥體和密封座的材料不同，其線膨脹系數(shù)也不同，故合理選擇球閥的冷態(tài)間隙和熱態(tài)間隙可以保證球閥高溫工況下有效密封和順利啟閉。（3）殘余應(yīng)力的影響。一般情況下，當(dāng)球閥密封座表層在一定深度范圍內(nèi)存在有利的殘余壓應(yīng)力時，可以提高接觸疲勞抗性減少疲勞磨損。在球

12、閥制造過程中淬火、表面滲碳可以使表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力。232（4）降低表面粗糙度。降低表面粗糙度可以有效提高抗疲勞磨損的能力，一般情況下接觸應(yīng)力越大，要求表面粗糙度越低。5結(jié)語利用ANSYS Workbench 有限元分析軟件對球閥密封座疲勞磨損失效問題進行分析，可以降低成本、節(jié)省時間、提高效率，給新產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)提供了新思路。參考文獻：1章華友等. 球閥設(shè)計與選用M . 北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1994.2劉英杰, 成克強. 磨損失效分析M . 機械工業(yè)出版社，1991. 3王孝天，楊源泉，賀友宗. 不銹鋼閥門的設(shè)計與制造M . 北京:原子能出版社，1987.4王加新，印峰平，徐明華.

13、球閥密封結(jié)構(gòu)的分析及研究J . 閥門.2000（6）：29-32.5姚衛(wèi)星. 結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析M . 北京:國防工業(yè)出版社,2003. 6李兵. ANSYS Workbench 設(shè)計、仿真與優(yōu)化M . 北京:清華大學(xué)出版社, 2008.作者簡介：馬邊際（1985-），山東棗莊人，本科在讀，從事有關(guān)采礦工程專業(yè)的學(xué)習(xí)與研究工作，中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院采礦系，電子信箱：550332566.責(zé)任編輯：于淑清收稿日期：20100121煤礦機械Coal Mine MachineryVol. 31No.09Sep. 2010第31卷第09期2010年09月!引言目前的變型設(shè)計方法有：基于特征的造型設(shè)計和

14、參數(shù)化、變量化設(shè)計，其優(yōu)缺點如下：（1）特征技術(shù)將工程概念與幾何形狀有機結(jié)合，大大提高了CAD 系統(tǒng)表達設(shè)計對象的能力，但是特征往往用來表達零件局部特性（如倒角、退刀槽），卻不能有效支持零件級乃至產(chǎn)品級的設(shè)計過程。（2）參數(shù)化、變量化設(shè)計技術(shù)，通過對約束的求解快速獲得產(chǎn)品的設(shè)計方案。系列產(chǎn)品由于功能、性能、結(jié)構(gòu)類似，采用參數(shù)化技術(shù)實現(xiàn)變型設(shè)計可充分體現(xiàn)其優(yōu)越性，但約束關(guān)系的表達方式對系列產(chǎn)品的參數(shù)化求解至關(guān)重要?！白皂斚蛳隆保═op-Down ）的設(shè)計，能夠很好地表達系列產(chǎn)品的約束關(guān)系，并支持產(chǎn)品自上而下由總體到詳細的設(shè)計過程，基于骨架模型的設(shè)計是支持Top-Down 設(shè)計的強有力工具。因此本

15、文采用Top-Down 設(shè)計思想，基于骨架模型構(gòu)建系列產(chǎn)品的約束關(guān)系，開展自上而下的零部件詳細設(shè)計；研究產(chǎn)品基于骨架模型的系列產(chǎn)品變型設(shè)計方法*賈海利，李充寧（天津工程師范學(xué)院天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）摘要：為快速響應(yīng)客戶的個性化產(chǎn)品定制需求，研究了基于骨架的Top-Down 設(shè)計方法、產(chǎn)品級的參數(shù)化設(shè)計方法，在結(jié)構(gòu)分析規(guī)劃的基礎(chǔ)上建立系列產(chǎn)品的裝配體模型模板。通過變更模板的骨架零件的設(shè)計參數(shù)驅(qū)動整個產(chǎn)品的自動更新，實現(xiàn)由系列產(chǎn)品的模型模板快速映射為產(chǎn)品的設(shè)計實例，達到快速變型設(shè)計的目的。以2K-V 型減速器系列產(chǎn)品的設(shè)計為例驗證了上述方法的有效性。關(guān)鍵詞：系列產(chǎn)品

16、；骨架模型；產(chǎn)品級參數(shù)化；變型設(shè)計中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：10030794（2010）09023303Rapid Transmutation Design Method of Series Products Based onSkeleton ModelJIA Hai-li, LI Chong-ning（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Accurate Process Technology ，Tianjin University of Technology andEducation, Tianjin 3002

17、22，China ）Abstract ：The top -down design method based on the skeleton mode and the parametric design method of the product are studied for responding rapidly to the client customization. The assembly model template of the series product is created on the basis of analyzing the structure. Through changing the parameters of the skeleton belonged to template, the product assembly can be update automatically so as to realize the rapid transmutation design that is the mode