一種閥體優化設計方法技術

本發明專利技術提供一種閥體優化設計方法，通過參數法建立三維幾何模型，方便進行優化設計，大大縮短設計修改時間。通過建立的應力評價準則，考慮了產生不同失效的各類應力，采用多個評判條件來對應力進行評定，可以全面地、綜合性地對閥體的結構強度是否滿足安全性要求進行評定。同時通過應力結果對結構的經濟性進行評價，該經濟性評價標準充分考慮到不同類型的應力對結構強度的貢獻，同時兼顧了設計與實際的區別。當閥體的結構既滿足安全性評價、又滿足經濟性評價時，不僅能夠保證閥門的安全性，又能最大限度地減小材料，充分發揮結構的承載潛能，從而降低閥體的重量，節約材料減少成本，使所設計的結構更合理、更經濟。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及，屬于閥門計算及優化設計領域。
技術介紹
閥體是閥門最重要的零部件之一，它主要功能是工作介質的流通通道和承壓部件。作為閥門的外殼及主要耗材零件，其重量占整個閥門的70%，其設計水平對閥門制造成本、工作性能和使用壽命有決定性的影響。長期以來，閥體設計采用常規設計方法，通常是先根據客戶給定的閥門設計參數，然后利用現有的大量經驗數據及經驗公式來進行閥體壁厚的估算與設計，在設計完成后再根據樣機測試的試驗結果對產品進行適當的修正。這種常規設計方法雖然簡便，但卻存在諸多缺陷。常規的閥體設計公式與標準，是以彈性失效準則為基礎，對閥體大幅度簡化為圓筒形容器，然后以殼體的薄膜理論推導出較為簡單的適合于工程應用的計算公式，計算設計壓力作用下的最大應力，將其限制在材料許用應力值以內，從而確定閥體的壁厚。但實際上，閥體結構中的應力分布大多數是不均勻的，隨著試驗技術與計算技術的發展，對于結構幾何不連續處按精確的彈性理論或有限元法所得到的應力集中系數往往可達到3-10。此時，若按最大應力點進入塑性就算失效就顯得過于保守了。像這種按傳統的半經驗、半理論的常規設計方法，是以閥體總體的或基本的應力為考核對象，簡單的采用內壓容器彈性失效的理論公式進行設計，為了確保設備安全采用了較大的設計安全系數，這使得設計過于保守，導致閥體的體積和重量偏大，成本過高。其次，閥體的設計除了要滿足一定的強度要求外，還要滿足一定的剛度要求，傳統的設計方法很難算出某些關鍵部位的變形量，容易造成質量隱患。雖然隨著計算機技術及數值模擬技術的發展，有限元方法開始應用到閥門的設計計算中，但在對計算結果進行評判時，通過對不同類型的應力與閥體材料許用應力值進行對比，以獲得閥門安全性的評價結果。然而，目前對閥門的設計僅僅停留在對安全性的評價上，忽略了對設計水平或材料潛力是否充分發方面的評價，使得所設計的閥體結構仍有較大的減重空間，此設計并非是性能和成本最優化的方案。
技術實現思路
為此，本專利技術所要解決的技術問題在于現有技術中的閥門設計方法無法充分發揮材料性能的問題，從而提出一種能夠充分發揮材料性能的，既符合設計要求又降低了閥門生產成本的閥體優化設計方法。為解決上述技術問題，本專利技術的，包括以下步驟:S1:建立閥體的三維幾何模型；S2:根據閥體的三維幾何模型對閥體建立有限元計算模型，根據有限元計算模型計算在內壓作用下的應力分布；S3:根據應力分布獲取高應力區和危險截面，對危險截面進行應力線性化分析，得到應力線性化結果，所述應力線性化結果包括一次薄膜應力和一次彎曲應力和二次應力；S4:根據得到的所述應力線性化結果進行閥門安全性評價；S5:獲取安全性評價結果，若安全性評價結果為安全時，則根據得到的所述應力線性化結果進行閥門的經濟性評價；S6:獲取經濟性評價結果，若所述經濟性評價結果為經濟時，則認為此時的閥體結構為最優設計方案；若經濟性評價結果為不經濟時，則進行優化設計，并重復S1-S5步驟。本專利技術的閥體優化設計方法，若S4步驟中閥門安全性評價為不安全時，則進行優化設計，并重復S1-S4步驟。本專利技術的閥體優化設計方法，在所述S5步驟中，進行優化設計的方法為，依據閥體結構的連續性，將閥體劃分為若干個閥體區域；若高應力區位于某個閥體區域內部，則增大高應力區所在閥體區域的材料的厚度；若高應力區位于若干閥體區域的交界處，則同時增大高應力區相鄰的多個閥體區域的材料的厚度。本專利技術的閥體優化設計方法，所述根據得到的所述應力線性化結果進行閥門安全性評價的步驟中，同時滿足以下條件時安全性評價結果為安全:(1)0|1]<1.03，或者0匕<1.53;(2) on+ob< 1.5S，或者 σ L+ σ b< 1.5S ；(3) ση+σ b+Q < 3.0S，或者 σ L+ σ b+Q < 3.0S ；其中，OmS—次總體薄膜應力，σ L為一次局部薄膜應力，0 b為一次彎曲應力，Q為二次應力，S為材料許用應力值。本專利技術的閥體優化設計方法，在S5步驟中，進行經濟性評價的步驟為:將閥體劃分為若干閥體區域；獲取每個閥體區域的應力線性化結果；依次判斷每個可優化的閥體區域是否滿足經濟性準則，若每個閥體區域得到的應力線性化結果都符合經濟性準則，則判定該閥門的經濟性評價結果為經濟。本專利技術的閥體優化設計方法，獲取每個閥體區域的應力線性化結果的步驟包括:根據應力分布獲取每個閥體區域的高應力區和危險截面，并對每個危險截面進行應力線性化分析，得到應力線性化結果，所述應力線性化結果包括一次薄膜應力和一次彎曲應力。本專利技術的閥體優化設計方法，依次判斷每個可優化的閥體區域是否滿足經濟性準則時，符合下列兩個條件之一；條件一:閥體區域的應力線性化結果同時滿足，(I) 0.7S < σ n< 0.8S，或者 0.7S < σ L< IS ；(2)0.7S < σ η+σ b< 1.2S，或者 0.7S < σ L+σ b< 1.2S ；其中—次總體薄膜應力，σ L為一次局部薄膜應力，0 b為一次彎曲應力，S為材料許用應力值；條件二:閥體區域厚度為最小限定厚度。本專利技術的閥體優化設計方法，在所述S6步驟中，進行優化設計的方法為，增大或減小不符合經濟性準則的閥體區域的材料的厚度。本專利技術的上述技術方案相比現有技術具有以下優點:本專利技術的閥體優化設計方法，通過參數法建立三維幾何模型，方便進行優化設計，大大縮短設計修改時間。通過建立的應力評價準則，考慮了產生不同失效的各類應力，采用3個評判條件來對應力進行評定，可以全面地、綜合性地對閥體的結構強度是否滿足安全性要求進行評定。同時通過應力結果對各個閥體區域的經濟性進行評價，當各閥體區域中的應力均符合⑴ 0.7S < σ n< 0.8S 或 0.7S < σ L< IS,并且⑵ 0.7S < σ η+σ b< 1.2S，或0.7S< σ L+ob< 1.2S時，閥門的結構具備經濟性，該經濟性評價標準充分考慮到不同類型的應力對結構強度的貢獻，并兼顧了設計與實際的區別。當閥體的結構既滿足安全性評價、又滿足經濟性評價時，不僅能夠保證閥門的安全性，又能最大限度地減小材料，充分發揮結構的承載潛能，從而降低閥體的重量，節約材料減少成本，使所設計的結構更合理、更經濟。【附圖說明】為了使本專利技術的內容更容易被清楚的理解，下面根據本專利技術的具體實施例并結合附圖，對本專利技術作進一步詳細的說明，其中圖1是本專利技術中閥體優化設計方法的流程圖；圖2是本專利技術實施例1中閥體的1/2三維幾何模型；圖3是本專利技術實施例1中初始設計的應力計算結果云圖。圖中附圖標記表示為:1-閥腔壁區域；2_加強筋區域；3_中法蘭區域。【具體實施方式】下面結合附圖對本專利技術的技術方案進行詳細說明。實施例1本實施例提供，閥體為DN650閘閥，包括以下步驟，流程如圖1所示:S1:建立閥體的三維幾何模型；該閥門設計壓力為5.1MPa,閥體的初步設計方案。初步設計的閥腔壁區域I的厚度為32.8mm，加強筋區域2的厚度為45mm，中法蘭區域3的厚度為95mm，加強筋板上有一個Φ60的孔，閥體的材料許用應力為138MPa本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種閥體優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：建立閥體的三維幾何模型；S2：根據閥體的三維幾何模型對閥體建立有限元計算模型，根據有限元計算模型計算在內壓作用下的應力分布；S3：根據應力分布獲取高應力區和危險截面，對危險截面進行應力線性化分析，得到應力線性化結果，所述應力線性化結果包括一次薄膜應力和一次彎曲應力和二次應力；S4：根據得到的所述應力線性化結果進行閥門安全性評價；S5：獲取安全性評價結果，若安全性評價結果為安全時，則根據得到的所述應力線性化結果進行閥門的經濟性評價；S6：獲取經濟性評價結果，若所述經濟性評價結果為經濟時，則認為此時的閥體結構為最優設計方案；若經濟性評價結果為不經濟時，則進行優化設計，并重復S1?S5步驟。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳天敏，
申請(專利權)人：蘇州紐威閥門股份有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32