隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和制造水平的不斷提高,閥門的生產(chǎn)也在向著高溫、高壓、大口徑、高密封等高參數(shù)方向發(fā)展,同時也希望閥門的制造在充分保證安全性的前提下,盡可能做到經(jīng)濟(jì)性。 

  對于高壓大口徑的全焊接球閥,若按原有的以經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)的“常規(guī)設(shè)計”方法(Design by Rules)進(jìn)行設(shè)計,其口徑超出了常規(guī)設(shè)計的經(jīng)驗公式的適用范圍,只能依靠實驗研究,進(jìn)行對比分析設(shè)計,這樣會導(dǎo)致成本提高和設(shè)計周期延長,而設(shè)計出的產(chǎn)品雖然可以保證安全性,但卻不能保證經(jīng)濟(jì)性。 “分析設(shè)計”方法(Design by analysis)與有限單元法(Finite Element Analysis)是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析中的重要手段。

  由于失效準(zhǔn)則的選取不同,“分析設(shè)計”方法與有限單元法考慮到局部應(yīng)力對整體應(yīng)力的影響,并且根據(jù)引起應(yīng)力的原因?qū)?yīng)力進(jìn)一步分類判定,在保證強(qiáng)度的前提下,放寬了應(yīng)力的限制條件,對大口徑閥門而言,將大幅度節(jié)省材料,降低成本。本文將NPS56Class900的全焊接球閥為例： 

  首先,采用分析設(shè)計方法,通過彈性力學(xué)、板殼理論的基本公式,對閥體危險截面的應(yīng)力進(jìn)行分析,并確定了應(yīng)力與壁厚之間的計算關(guān)系,將應(yīng)力分析所得結(jié)果進(jìn)一步劃分為一次薄膜應(yīng)力Pm,一次彎曲應(yīng)力Pa和二次應(yīng)力Q,根據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的判定要求對各類應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行限制。

  在滿足各類應(yīng)力強(qiáng)度的條件下,確定了閥體壁厚。 其次,根據(jù)計算所得壁厚,應(yīng)用有限元的方法,采用ANSYS Workbench軟件,對閥體進(jìn)行工作狀態(tài)下的數(shù)值模擬計算。對運算結(jié)果中應(yīng)力集中處的應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力線性化處理,從而得到各類應(yīng)力,加以判定,驗證“分析設(shè)計”方法所得壁厚是否符合強(qiáng)度要求。 

  最后,將通過“分析設(shè)計”準(zhǔn)則所得壁厚與按“常規(guī)設(shè)計”準(zhǔn)則確定的壁厚進(jìn)行比較,以體現(xiàn)“分析設(shè)計”方法與有限單元法在閥門設(shè)計中的優(yōu)越性。

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