闡述了綜合運用有限元分析軟件ANSYS對眼鏡式插板閥左閥體結構進行強度和剛度分析，為插板閥的結構設計及優(yōu)化奠定一個良好的基礎。

一、前言

　　有限元這一概念早在20世紀40年代就已提出，50年代初曾將這種方法用于結構設計。它可用來分析產品在工作環(huán)境中的受力變形、振動及運動的情況，首先應用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推廣應用于機械、建筑、造船等工程部門。

　　有限元方法(Finite Element Method,FEM)是一種借助計算機進行工程分析的離散化數(shù)值方法，是CAD和CAE之間不可或缺的連接橋梁。有限元法是一種數(shù)值近似解法，可以處理復雜的產品結構，且計算精度高。用CAE方法可以避免在物理測試上消耗時間和物力，可以用任意方法對實體模型進行評估，及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷并加以排除。有限元法是將所要計算的復雜結構劃分為有限的許多有規(guī)則小塊，稱為單元。每個單元都具有易于計算的簡單形狀，如矩形、三角形等，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接。系統(tǒng)對每個單元都建立單元剛度方程，并建立結構總體的剛度方程。由結構邊界條件進行求解，得出結構中各個位置的參數(shù)值。進行有限元計算，主要分為建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、計算、結果顯示幾個步驟。

　　ANSYS有限元分析軟件是目前最為通用有效的商業(yè)有限元軟件之一，應用它對零部件進行強度、剛度以及結構優(yōu)化分析是十分便利的。在產品設計中，用戶可以使用ANSYS有限元軟件對產品性能進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)產品問題，降低設計成本，縮短設計周期，提高設計的成功率。對于某一具體工程問題，為了使分析結果接近于實際，真空技術網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認為首先要用有限元模型準確地描述出零部件的幾何形態(tài);其次，必須正確地描述零部件在工作過程中的負載情況和相應部件之間的相互影響和制約關系(及邊界條件);最后，需正確評價剛度和強度的分析結果�，F(xiàn)以眼鏡式插板閥為例，對有限元在閥類元件中的應用做一研究探討。

二、眼鏡式插板閥簡介

　　眼鏡式插板閥是安裝于室外煤氣管道的插板式煤氣隔斷閥。工作時為常開式，高爐休風時，眼鏡式插板關閉，切斷煤氣管道。由于該閥門結構簡單，重量輕，密封效果好，在冶金系統(tǒng)的煤氣管道上得到了廣泛應用。

　　插板閥(如圖1所示)通常由左閥體、右閥體、閥板、絲杠、絲杠螺母、波紋膨脹節(jié)和驅動裝置等部件組成。閥板由通板和盲板組成，以控制介質的流通和截斷。右閥體與波紋膨脹節(jié)焊接在一起或通過螺栓連接在一起，右閥體通過底部的支撐輪以實現(xiàn)密封傳動過程中的水平移動。驅動裝置帶動6根絲杠同時旋轉，由絲杠螺母帶動右閥體水平移動，使閥體密封面壓緊閥板上的0形圈，閥門實現(xiàn)密封。

圖1 眼鏡式插板閥

三、眼鏡式插板閥左閥體的有限元分析

　　1、問題的提出

　　插板閥在工作過程中，閥體承受一定壓力，如果強度不夠，很容易發(fā)生爆裂，后果不堪設想。由于閥體結構復雜，采用常規(guī)的解析算法無法滿足工程實際需要，因此采用有限元分析的方法對閥體進行分析更能滿足設計需求，此次分析的目的主要是驗證左閥體兩支撐板的強度和剛度是否滿足設計要求，以便更有效地對閥體機構進行改進。

　　進行有限元計算所采用的幾何模型通常不同于實際的產品結構。因為實際的產品結構中有許多對產品性能沒有多大影響的復雜細節(jié)結構，如圓角、連接孔等，而這些結構在有限元計算中卻非常復雜，不僅在網(wǎng)格劃分中會產生一些畸形網(wǎng)格單元，引發(fā)劃分網(wǎng)格出錯，而且在計算中也會占用大量時間。因此，在進行有限元計算時，需要根據(jù)產品結構、工作特點和求解內容等因素，進行合理簡化建立有限元計算的幾何模型。

　　2、基本參數(shù)設置

　　基本參數(shù)如下表所示。

表 基本參數(shù)

　　3、左閥體模型的創(chuàng)建

　　在ANSYS中通常有兩種建模方法：實體建模和直接生成。實體建模是先創(chuàng)建由關鍵點、線段、面和體構成的幾何模型，然后利用ANSYS網(wǎng)格劃分工具對其進行網(wǎng)格劃分，生成節(jié)點和單元，最終建立有限元模型的一種建模方法，該法適用于建立復雜的模型，節(jié)點和單元數(shù)量多，別是3D實體建模;直接建模方法是在ANSYS顯示窗口直接創(chuàng)建節(jié)點和單元，模型中沒有實體(點、線、面)出現(xiàn)，此法適用于小型或簡單模型的創(chuàng)建，且要求手工處理大量數(shù)據(jù)，容易出錯。

　　考慮閥體的結構特點，故采用實體建模方法進行左閥體模型的創(chuàng)建。模型創(chuàng)建過程中大量使用了鏡像操作，從而大大簡化了操作步驟;另外由于閥體各部件之間都是焊接，故模型之間直接采用黏接即可滿足設計要求。

　　4、網(wǎng)格劃分

　　通過設置單元尺寸大小，采用自由網(wǎng)格劃分的方法，得到了比較理想的左閥體網(wǎng)格模型。閥體共劃分為16424個節(jié)點和52307個單元(如圖2 所示)。

圖2 左閥體三維模型

　　5、確定約束條件

　　由于左右閥體是由上下兩頂板焊接相連，左閥體兩支撐板的變形情況是分析重點，故將兩頂板作為約束條件，并限制其上的節(jié)點，即在分析時不能有位移。

　　6、確定載荷分布

　　在左閥體端法蘭上，作用有兩種力，一種是來自絲杠加緊的力，大小為2MPa，另外一種是煤氣在盲板上所產生的壓力，大小為0.6MPa，故左閥體端法蘭上共作用有大小為7.45MPa的力(如圖3所示)。

圖3 左閥體載荷分布及約束條件

　　7、求解及結果分析

　　對已建立好的有限元模型施加邊界條件和載荷之后，使用ANSYS求解器對模型求解，求得該工況下模型的力學解。各部位的應力、應變和變形的最大位移是關鍵點。選定這幾個參數(shù)作為結算參量，在后處理中加以顯示和輸出(如圖4所示)。

圖4 分析結果

(a)左閥體應力分布圖 (b)左閥體應變分布圖(c)位移云圖

三、結論

　　根據(jù)應力、應變及位移分布云圖的分析結果，可得到如下結論。

　　1、當盲板截斷煤氣時，左閥體內產生的最大應力為268MPa，最小應力為4.6MPa，兩支撐板的最大變形量為5.168mm，基本滿足設計要求。

　　2、分析結果表明，若想減小兩支撐板的最大變形量，僅靠增加兩支撐板厚度、肋板厚度以及頂板厚度得不到明顯的效果，只能通過進一步優(yōu)化結構來增強左閥體的強度和剛度，以保證整個插板閥的正常工作。