閥門的強度、剛度以及密（mì）封性能（néng）是閥門重要的技術性能指標。在（zài）設計時要求必（bì）須（xū）具有足夠的（de）強度和剛度（dù），以保證長期使（shǐ）用而不發生破（pò）裂或產生變形；要求閥門各密封部位有合理的（de）密封比壓，以保證密封部件不損傷而又能有（yǒu）良好的緊（jǐn）密度，以阻（zǔ）止介質泄漏。而基（jī）於經典力學理論的常規設計計算方法由（yóu）於（yú）其固有（yǒu）的局限性，對於複雜幾何結構、多載荷（hé）作用下的計算是無能為力的，即使對（duì）於（yú）受簡單邊界條件的結構，也會因（yīn）為結構較複雜使得計算不準確，甚（shèn）至與實際相差甚遠（yuǎn）。因此，基於有限法的數（shù）值模擬成為解決這些複雜問題的利器，很多學者及技術人員，對閥門單個零部件進行了有限元計算和結構分析。

    我們以閘閥為（wéi）對象（xiàng），考慮部件之間的（de）接觸作用，建立（lì）起閥體、座（zuò）圈與閘板（bǎn）一體化的三維非線性有限元模型，同時獲得閥體、座圈與閘（zhá）板各部件的應力與變形計算結果，以及能綜合評價密封性能的座圈接觸應力、座圈與（yǔ）閘板的間（jiān）隙值等重要數據，據此分（fèn）析各部件結構的合理性並（bìng）提出結構優化思路。

    二、閘閥結構計算分析

    1.閘閥（fá）結構（gòu）

    由於本分析主（zhǔ）要考察閥體、座圈與閘板等零部件的力學性能和密封（fēng）性（xìng）能，因此在（zài）三維建模（mó）時，忽略其他不考慮且對分析結果影響甚微的部件，通過三維建模（mó）軟件SolidWorks建立如圖1所示的三（sān）維幾何模型。

圖1 閘閥三維幾何（hé）模型

    閥體使用純鈦材（cái）料，其泊鬆比0.35，彈性模量為1.08×105MPa，約為鋼的1/2，剛性差（chà），易（yì）變形（xíng），屈服強度僅275MPa。閥門的關閉通過座圈（quān）與（yǔ）閘板之間緊緊擠壓在一起，接觸麵形成大小適宜的壓（yā）應力，以阻止介質的泄漏。

    2.有限元計算模型

    由於幾何及載荷的（de）對（duì）稱性，取1/4模型進行（háng）有限元建模。利用強（qiáng）大的前處理軟件HyperMesh建立三（sān）維有限元（yuán）模型，模型采用SOLID95實體單（dān）元和TARGE170、CONTA174接（jiē）觸單（dān）元，為了提高計算精（jīng）度，手工控製進（jìn）行（háng）全六麵體網格劃分（fèn），共82456個單元，176324個節點。模型各部件之間的聯係（xì）通過MPC約束，建立接觸對的方法進（jìn）行（háng）處理（lǐ）。建立的（de）有限（xiàn）元模型及兩（liǎng）個（gè）接觸對單元如圖2、圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 接觸（chù）對（duì）單元

    建模時（shí），閥體與座圈、座圈和閘板之間建立麵－麵接觸模（mó）擬部（bù）件（jiàn）之間的相互作用。由（yóu）於座圈與閥體是通過焊接連接，之（zhī）間無相對滑動和（hé）穿透，為了減小係統方程求解的波前大小，采用MPC多點約束算法進行線性求解。而座圈和閘板（bǎn）之間存在有摩擦（cā）的（de）滑動（dòng），接（jiē）觸狀態是（shì）急劇變化的，屬於（yú）狀態非線性問題，根據實際情況及結果精度需要，采用增廣拉格朗日算（suàn）法非線性（xìng）求解接觸麵的接觸狀態、接觸應力和接觸間隙。

    本分析僅計算關閉（bì）工況（kuàng），在進出口法蘭端麵進行全約束，中法蘭端麵進行Z軸向約束（shù），同時施加對稱（chēng）約（yuē）束，在閥體（tǐ）、座圈和閘板受壓表麵施加2MPa的均布壓力，閘板推力2280N（1/4倍總推力）通過處理為麵力作用在閘板上（shàng）。

    3.求解

    有限元計算模型利用（yòng）ANSYS牛頓—拉普森方法（fǎ）求解，為了增強求解的收斂性和提高計算精度，對（duì）自適應下降，線性搜索，自動（dòng）載荷步進行必（bì）要的設置，同時（shí），為了防（fáng）止座圈與閘板接觸（chù）分離，采取（qǔ）弧長方法迭代來幫助穩定（dìng）求解。

    4.計算結果與分（fèn）析

    計算在內壓、閘板推力作用下的（de）閥體變形量、應力強度（dù），座圈的接觸應力（比壓（yā））及應力強度、軸向變形量，閘板的應力、軸向變形及垂向移（yí）動量（liàng），座圈與閘板的間隙量（liàng）等重要場量。從（cóng）而考察（chá）各部件的強度與剛度性能、密封性能以及扭矩是否合理。

    圖4、圖5分別為閥體的應力強度和變形雲圖，在內壓及（jí）閘板推力作用（yòng）下，閥體的變形主要是Y向（流道方向（xiàng））的變形，這裏主要考量座圈（quān）位置處的變（biàn）形（xíng）量（如圖5中方框指示區域），大變形達0.0148mm，如圖（tú）中所標（biāo）示（shì）數值，這個數值僅是對1/4閥體而言，對整個閥體而言，座圈位置處Y向（xiàng）（即流道方（fāng）向）的變形量為（wéi）0.0148mm的兩倍，即0.0296mm，在可（kě）接受的範圍內，但偏（piān）大。閥體的圓角過渡區域由於（yú）變形擠壓而引起以壓縮應力（lì）為主的合成應力，大應力強度值為52.4MPa，遠遠小（xiǎo）於材料的屈服強度值275MPa，而且對大部分區域來說，無論是總應力強度還是薄膜應力強度大大小於52.4MPa，因此有足夠（gòu）的安（ān）全餘量，且有很大的結構優化減重空間。