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大口徑閘閥在供水和工業(yè)管道上被廣泛應(yīng)用，而閥體是其中最主要的零件之一，閥體的重量通常占閥門總重量的10%左右，因此它的結(jié)構(gòu)性能的好壞對閥門性能有重要的影響，由于大口徑閘閥閥體受到結(jié)構(gòu)長度的限制，其容納閘板的內(nèi)腔通常為扁圓形或橢圓形的異形容器，很難用理論公式對其進(jìn)行有限元分析，通用的做法是利用近似公式進(jìn)行計(jì)算，但是這種計(jì)算不能全面反映閥體的受力情況，也不能給設(shè)計(jì)人員指出閥體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和力學(xué)理論的發(fā)展，采用有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維力學(xué)分析已經(jīng)成熟，并在壓力容器的結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛的應(yīng)用，對閥門進(jìn)行設(shè)計(jì)時利用有限元分析計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理設(shè)計(jì)閥門結(jié)構(gòu)尺寸，可為閥門設(shè)計(jì)提供可靠的改進(jìn)意見，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，縮短閥門設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約制造材料。本文以大口徑楔式閘閥為例，以最大等效應(yīng)力作為目標(biāo)函數(shù)，以閥座凸處基本尺寸作為設(shè)計(jì)變量，對影響閥體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用一階優(yōu)化方法進(jìn)行有限元優(yōu)化計(jì)算。
閥體的參數(shù)化模型應(yīng)該能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，即其形狀、邊界條件和載荷與實(shí)際情況要保持一致，同時在保證計(jì)算精度的前提下，模型應(yīng)盡可能簡化，因此在建模過程中對閥體的一些不影響總體性能的特征進(jìn)行簡化處理，忽略一些不必要的倒角，得到參數(shù)化計(jì)算模型如圖所示。由于模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，因此采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元對模型劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的模型有51797個節(jié)點(diǎn)，29851個單元，如圖所示。閥體的材料為WCB，材料特性為楊氏彈性模量E=206 GPa，泊松比0.25；在閥體進(jìn)出口兩端法蘭施加固定約束，中法蘭施加Y方向約束；根據(jù)閥門水壓試驗(yàn)要求，按設(shè)計(jì)壓力的1.5倍在閥體內(nèi)表面施加7.5 MPa壓力作為計(jì)算壓力，施加載荷后的模型如圖所示。經(jīng)有限元程序求解后，得到由第三強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)的閥體等效應(yīng)力，如圖所示，閥體最大等效應(yīng)力為144.2 MPa，材料的許用應(yīng)力120.69MPa，最大等效應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力范圍，在閥體中腔有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，原因是此處形狀發(fā)生突變，并且截面為近似橢圓體形狀，更接近于矩形，受力狀況不好，這也正是大口徑閘閥設(shè)計(jì)和計(jì)算的難點(diǎn)所在，因此有必要討論閥體中腔形狀對閥體強(qiáng)度和應(yīng)力分布的影響。
由閥體最大應(yīng)力位置處在閥體中腔可知，中腔形狀對閥體強(qiáng)度有很大的影響.對閥體中腔形狀有影響的參數(shù)以閥座凸臺截面為基準(zhǔn)，如圖所示，中腔其余位置的形狀都以此截面為基準(zhǔn)得到，由圖中可看到，此截面有5個參數(shù)，大圓位置由R= 1300mm和短軸長度L=112.5 mm來完全定義，小圓半徑為259 mm，大小圓相交處為R=40 mm的倒圓，其中閥體最小壁厚為t=25.4 mm，小圓半徑等于中法蘭半徑，在此不做討論，因此只有R、R1和短軸長度L三個參數(shù)對閥體中腔形狀有影響。為了減少閥體應(yīng)力集中現(xiàn)象，使應(yīng)力分布更加均勻并滿足強(qiáng)度要求，對其中腔進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1)優(yōu)化目標(biāo)：閥體等效應(yīng)力最大值小于材料許用應(yīng)力；2)設(shè)計(jì)變量：由計(jì)算結(jié)果得知，應(yīng)力最大值在閥體中腔處，并且影響閥體中腔形狀的參數(shù)為R、R1和L，因此定義設(shè)計(jì)變量DSR、DSR、DSL的初始值分別為1300，40，112.5 mm； 3)約束條件：由于是實(shí)際的工程問題，設(shè)計(jì)變量的選擇必須滿足工程需要，因此約束條件:DSL范圍為101-124 mm，DSR范圍為900-1500mm，R1范圍為30~70 mm；4)優(yōu)化方法：采用一階優(yōu)化方法，即通過對目標(biāo)函數(shù)添加罰函數(shù)將有約束的多變量非線性規(guī)劃問題變成無約束的非線性規(guī)劃問題，自動運(yùn)行優(yōu)化程序，在優(yōu)化的每一次循環(huán)中都對模型重新劃分網(wǎng)格，完成優(yōu)化分析后，得出響應(yīng)圖觀察優(yōu)化結(jié)果；5)參數(shù)對等效應(yīng)力的影響：經(jīng)過對閥座凸臺截面尺寸進(jìn)行有限元優(yōu)化計(jì)算后得出響應(yīng)圖，其中DSL對閥體等效應(yīng)力的影響如圖所示，看出短軸長度L=109 mm時，等效應(yīng)力最大值為最小，當(dāng)偏離這個值時，應(yīng)力上升很快，其余參數(shù)的響應(yīng)圖也有類似的分布規(guī)律。 從圖中可看出當(dāng)參數(shù)達(dá)到某一個值時，應(yīng)力值達(dá)到最小，這是所有優(yōu)化變量共同作用的結(jié)果，而不是某個參數(shù)在獨(dú)自作用，實(shí)際的響應(yīng)圖應(yīng)該是三維圖形，這樣求得的解為約束范圍內(nèi)的全局解。
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