大口径闸阀阀体加筋结构优化与疲劳分析

论文摘要

大口径闸阀是公称通径为350mm-1200mm之间的闸阀,在工业上有着广泛的应用。由于大口径闸阀阀体受到安装尺寸的限制,其容纳闸板的中腔通常为扁圆形或椭圆形的异形容器,很难用理论公式对其进行结构分析。因此,对大口径闸阀阀体进行结构优化十分困难,结构优化也只能依靠工程经验。阀体作为大口径闸阀承压主要部件之一,由于其结构复杂,会产生应力集中、变形不协调,然后导致阀体使用寿命降低、发生泄漏。因此,通过采用先进的计算机辅助工程（CAE,Computer Aided Engineering）技术对大口径闸阀阀体结构的强度、刚度性进行数值分析和优化设计,并对阀体结构进行疲劳寿命分析。进而为阀体结构的改进提供依据和指导,缩短产品开发设计过程。本论文以大口径闸阀阀体为主要研究对象,利用大型有限元软件ANSYS对其进行有限元静力分析、优化计算和疲劳寿命分析。以ANSYS Workbench优化分析平台,建立大口径闸阀阀体的模型,根据实际情况设定边界条件,分别按照实际工况和试验工况施加载荷,对阀体进行了有限元静力分析,研究阀体等效应力的大小和分布状况。结论认为大口径闸阀阀体的应力集中现象明显,且在实验压力下不能满足使用要求,所以在阀体中腔外部增加加强筋,以此降低阀体的最大等效应力并使应力分布更加均匀。在满足工程要求的情形下,对加强筋的结构进行优化（一定的范围内）,找到一个最有效的方案。本文采用两种方法对加强筋的结构进行优化,只是后者结合了中心法的优化算法。两者优化结果一致,但后者迭代步骤更少,计算简便。优化结果表明,改进后的阀体等效应力最大值减小35.82%,应力集中程度减小,改善了阀体的应力分布状况,使其分布更加均匀,变形协调,提高阀体的强度和刚度。最后,利用ANSYS Workbench Fatigue软件,结合疲劳损伤理论、ASME法规第Ⅲ卷的要求,对大口径闸阀阀体进行疲劳分析计算,找出设计薄弱的阀体部分,通过优化阀体结构,增加阀体强度,提高阀体使用寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 闸阀简介
• 1.1.1 闸阀的分类
• 1.1.2 闸阀的优点和缺点
• 1.2 闸阀国内外研究的现状
• 1.3 结构优化简介
• 1.3.1 结构优化设计的方法
• 1.3.2 结构优化设计的发展
• 1.4 课题研究的目的和主要内容
• 1.4.1 课题研究的目的
• 1.4.2 课题研究的主要内容
• 第2章 有限元法及分析软件ANSYS
• 2.1 有限元法
• 2.1.1 有限元法简介
• 2.1.2 有限元法的操作步骤
• 2.1.3 有限元法的应用
• 2.1.4 有限元法的优点
• 2.2 有限元软件ANSYS
• 2.2.1 ANSYS软件简介
• 2.2.2 ANSYS Workbench
• 2.2.2.1 ANSYS Workbench简介
• 2.2.2.2 ANSYS Workbench结构优化的求解步骤
• 第3章 大口径闸阀阀体模型建立及强度分析
• 3.1 大口径闸阀阀体模型建立
• 3.1.1 大口径闸阀阀体模型建立的简化原则
• 3.1.2 大口径闸阀阀体模型建立的基本步骤
• 3.1.3 建立大口径闸阀阀体模型
• 3.1.4 大口径闸阀阀体有限元模型网格划分
• 3.1.4.1 有限元模型网格划分的原则
• 3.1.4.2 单元的选择
• 3.1.4.3 网格划分后的有限元模型
• 3.2 大口径闸阀阀体的强度分析
• 3.2.1 材料的强度理论
• 3.2.1.1 第一强度理论——最大主应力理论
• 3.2.1.2 第二强度理论——最大伸长线应变理论
• 3.2.1.3 第三强度理论——最大切应力理论
• 3.2.1.4 第四强度理论——形状改变比能理论
• 3.2.2 材料的参数的设定
• 3.2.3 阀体边界条件的确定
• 3.2.3.1 约束条件的确定
• 3.2.3.2 载荷条件的确定
• 3.2.4 阀体静力分析
• 3.2.4.1 工作压力下阀体静力分析
• 3.2.4.2 试验压力下阀体静力分析
• 3.2.5 加筋后的阀体模型
• 3.2.6 加筋后阀体的静力分析
• 第4章 大口径闸阀阀体加筋结构优化
• 4.1 优化设计简介
• 4.1.1 优化设计的基本原理
• 4.1.2 优化设计的分类
• 4.2 大口径闸阀阀体加筋结构优化
• 4.2.1 影响阀体强度的加强筋结构参数化及优化
• 4.2.2 加强筋结构优化后的参数分析
• 4.2.2.1 参数的灵敏度分析
• 4.2.2.2 参数对目标函数的影响
• 4.2.2.3 优化后加强筋结构尺寸
• 4.2.3 结构优化后的计算结果
• 4.2.4 优化结论
• 4.3 基于中心法的大口径闸阀阀体加筋结构优化
• 4.3.1 中心法的简介
• 4.3.2 基于中心法的优化模型
• 4.3.3 加强筋结构参数化及其优化
• 4.3.4 优化结论
• 第5章 大口径闸阀阀体的疲劳分析
• 5.1 引言
• 5.2 疲劳损伤理论
• 5.2.1 Palmgren-Miner线性累积损伤理论
• 5.2.2 Grover-Manson双线性累积损伤理论
• 5.2.3 Corten-Dolan非线性疲劳累积损伤理论
• 5.3 疲劳分析方法
• 5.3.1 名义应力法
• 5.3.2 局部应力应变法
• 5.3.3 损伤容限法
• 5.4 疲劳研究综述
• 5.5 有限元软件在疲劳分析中的应用
• 5.6 疲劳强度评定方法
• 5.6.1 Von-Mises等效平均应力方法
• 5.6.2 Sines平均主应力方法
• 5.6.3 考虑应力分量的平均应力方法
• 5.7 阀体疲劳强度分析中的参数选取
• f'>5.7.1 应力集中系数K_f
• σ'>5.7.2 平均应力影响系数ψ_σ
• 5.7.3 表面加工系数β
• 5.7.4 尺寸系数ε
• 5.8 大口径闸阀阀体的疲劳分析
• 5.8.1 引言
• 5.8.2 大口径闸阀阀体的疲劳分析
• 5.8.2.1 导入有限元模型
• 5.8.2.2 设定材料参数
• 5.8.2.3 根据实际情形施加约束和载荷
• 5.8.2.4 设定疲劳参数并求解
• 5.8.2.5 大口径闸阀阀体的疲劳分析
• 5.8.2.6 疲劳分析结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录