中高压法兰蝶阀阀体结构强度的有限元分析

1 引言

法兰式蝶阀被大量应用在各行各业的工业管道上，法兰蝶阀主要由阀体、蝶板、阀轴、驱动装置等组成，当蝶阀工作压力在中、高压范围时（PN2.5～80MPa），蝶阀的阀体内部承受的压力较高。现代的阀门设计中，蝶阀除了按设计标准及规范进行设计外，还需对阀体进行有限元分析计算。

介绍了依据通用阀门压力试验国家标准GB/T 13927-2008，对常温下的中高压法兰蝶阀的阀体进行静压条件下的强度分析，以及在额定工作压力条件下产生的应力进行有限元分析，并根据有限元分析结果，按照美国ASME锅炉及压力容器规范（国际性规范）第Ⅷ卷第二册《压力容器建造另一规则》中的强制性附录4《以应力分析为基础的设计》，对有限元计算结果进行了分析讨论和强度验证，同时也通过对产品的实测验证了有限元分析的结果。

2 分析软件选用

CAE分析工具软件能够帮助产品设计师进行产品的可制造性分析或者改进设计环节，当前专门用于有限元分析的软件有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC，但由于这些专业分析软件与CAD脱节很严重，即机械CAD功能相对较差，往往难以完成复杂模型的建模、出工程图等设计工作，且对操作人员的要求也很高，只有专业的分析师才能使用，因此限制了在企业中的应用。而SolidWorks软件拥有功能强大的机械CAD功能，并具有功能完善的应用插件，其中系统提供的分析产品COSMOS，包括了一系列分析应用软件，如COSMOS Works有限元分析软件、COSMOS Xpress点击式分析向导等，并嵌入SolidWorks Office Premium中。集成到SolidWorks平台下的COSMOS，解决了单独环境下CAE在前后处理方面的问题，同时还继承了SolidWorks易学易用的特点。

应用SolidWorks软件，可在产品设计的过程中进行分析，并可根据分析结果，及时调整设计参数，可节省材料成本及开发成本，提高产品质量，大大加快产品上市速度。本文选用SolidWorks软件，对中压法兰蝶阀的阀体进行有限元的分析。

3 利用COSMOS Xpress进行强度分析

3.1 确定材质

在COSMOSXpress中指定阀体的材质为铸造碳钢，WCB铸造碳钢的力学性能参数。

3.2 定义约束条件

根据法兰蝶阀的工作条件，法兰蝶阀工作时是通过两端的法兰与管路连接，由蝶阀和管路上的法兰密封水线部位加密封垫后，再通过螺栓旋紧连接。其约束在法兰密封水线所在的平面和受螺栓轴向力作用的法兰内侧平面。当定义约束条件时，COS－MOSXpress会自动添加到法兰整个外端面，此时应根据实际约束情况，对约束的部位进行重新编辑。

3.3 加载载荷

法兰蝶阀在液体静压力状态下，阀体内部作用力垂直作用在阀体的内壁上，根据国家标准GB/T 13927-2008的静压强度试验条件，试验压力为额定工作压力的1.5倍，添加载荷到阀体内腔。

3.4 仿真分析

通过以上参数设置，运行分析后，得到分析结果，如图3所示。从中可以得出此法兰蝶阀阀体的最低安全系数为3.97461，此安全系数大于3，阀体壁厚尺寸及结构设计合理，不需要对阀体的结构参数进行优化设计。