ANSYSWorkbench在球阀疲劳磨损分析中的应用

1、煤矿机械Coal Mine MachineryVol. 31No.09Sep. 2010第31卷第09期2010年09月1球阀结构与工作环境球阀是以球体作为关闭件的阀门，主要由阀体、阀座、阀杆和驱动装置组成，在管道中起切断和接通流体通道，调节介质流量和压力等作用。球阀按结构分为浮动球球阀和固定球球阀，其中浮动球球阀应用最广泛。它的球体自由支承在密封座上，靠流体介质压力使球体在流动方向产生一定位移并与密封座密封面紧密接触，形成一定的密封比压而实现密封。经分析流体介质的状态和组成对球阀密封性能和磨损有很大影响，一般情况下球阀流体介质为液-液或气-液混合物时球阀磨损较小。但当流体介质为气-固混合物或

2、液-固混合物而且固体粒子硬度较高时，密封座密封面的过度磨损较严重而最终导致失效。因此，选择合适的球阀材料和密封面表面处理状态对球阀的可靠性和耐久性有直接影响。2球阀疲劳磨损机理与密封模型的简化2.1球阀疲劳磨损机理对磨损问题按磨损机理不同，将磨损分为疲劳磨损、磨粒磨损、黏着磨损、腐蚀磨损4种基本类型。球阀由于启闭频繁，球体与密封座密封面间的摩擦转矩较大，使密封座密封面受到一定大小的接触循环应力作用，在密封座表层有缺陷的部位产生应力集中，导致形状、尺寸或重量等参数在磨损过程中均发生变化而出现凹坑或裂纹。经分析在球阀密封座表层同时存在着脉动循环的剪应力和脉动循环的正应力，这2个力对凹坑或裂纹的出现

3、和扩展起决定性作用。因此，接触循环应力引起的疲劳磨损在球阀磨损失效问题中是最主要的。2.2密封模型的简化由于球体的刚性较大，将球阀密封结构分解为密封圈和密封座，将密封座简化为刚性件，因为T 型槽对磨损分析影响不大，故将球体模型简化为球形。由于浮动球阀是出口侧密封，所以只分析球体一侧的密封性能。浮动球球阀的密封简图如图1所示。图1浮动球阀受力简图3磨损失效分析计算3.1建立密封模型以浮动球球阀为例，在ANSYS Workbench 有限元分析软件中建立如图2所示的球阀密封模型。选择球体材料为结构钢，密封座材料为聚四氟乙烯，在Engineering Data 中输入材料的弹性模量、泊松比、S-N

4、疲劳曲线等参数。在球体上与阀座对称的ANSYS Workbench 在球阀疲劳磨损分析中的应用马边际1，王伟1,2，秦飞龙1,2（1. 中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州221116; 2. 中国矿业大学化工学院，江苏徐州221116）摘要：简要介绍了球阀疲劳磨损产生的原因和机理，以ANSYS Workbench 有限元分析软件为基础建立了球阀密封模型，分析了球阀压力载荷的变化对阀体疲劳寿命所产生的影响，并提出了相应的改进措施和延长球阀使用寿命的方法。关键词：失效；循环应力；疲劳磨损中图分类号：TG931.72；TP39文献标志码：A文章编号：10030794（2010）09023103Ana

5、lysis of Fatigue Wear in Ball Valve Fatigue Wear Based onANSYS WorkbenchMA Bian-ji 1，WANG Wei 1,2，QIN Fei-long 1,2(1School of Applied Science and Technology ，China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Chemical Engineering Technology, China University of Mining and

6、Technology, Xuzhou 221116, ChinaAbstract:The causes and the mechanism to the ball valve of fatigue wearing are introduced. Using the finite element ANSYS Workbench analysis the ball valve fatigue life and descript the impact of changes in pressures load. And make some measures to improvement the bal

7、l valve fatigue wear and to extend the fatigue life.Key words:fatigue failure; cyclic stress; fatigue wear PD M WD M ND M PNN231第31卷第09期Vol.31No.09ANSYS Workbench 在球阀疲劳磨损分析中的应用马边际，等单位面上施加1.6MPa 的压力，根据球阀的密封结构，设置密封座外侧面沿X 轴方向的位移为0，沿Y 轴、Z 轴方向的位移不受限制；设置密封座外端面沿X 轴方向的位移不受限制，沿Y 轴、Z 轴方向的位移为0，设置好的环境变量如图3所示。对密

8、封模型进行网格划分时在密封座内侧设置比其他处大的网格精度，这样可以得出更多的节点应力值，使结果更加精确而又节省时间。系统对球阀密封模型进行自动网格划分，划分好的网格精度如图4所示。 图2球阀密封模型的简化图 图3球阀密封模型约束与载荷的设置 图4网格划分3.2设置求解参数在Static Structural 下, 设置求解参数。选择In -sert/StressIntensity 选项, 插入最大剪应力理论(Tresca强度准则 的SINT 应力来寻找阀体峰值应力出现的位置。选择Insert/Fatigue /FatigueTool 选项设置疲劳强度削弱系数为0.8；考虑到阀体内侧压力由0变化

9、到工作压力, 再由工作压力变化到0的循环过程，选择“Zero-Based ”、R =0的脉动循环载荷来模拟“启动-停止”时的疲劳；在分析类型中选择Stress Life 选项来评定高周疲劳；在主应力理论选项中Soderberg 关系对疲劳寿命的估计比较保守，因此选择适合于多数工程合金的Soderberg 应力。在Fatigue Tool 中, 选择Insert/life 、Damage 、Safety Fac -tor 选项, 设置阀体的疲劳寿命、疲劳累积损伤系数和安全系数，设定设计寿命(DesignLife 均为2000次循环。3.3求解分析在ANSYS Workbench 有限元分析软件中

10、，按照以上简化模型和参数的设置，对球阀密封座密封面的疲劳磨损失效分析进行求解。（1）在Stress Intensity 中查看阀体的应力云图。由应力云图可看出，最大应力值出现在阀体中腔与出口的交界面最顶端，与工程实际经验结论相符合。因此该处的疲劳分析是正确的。（2）在Fatigue Tool/Life中查看阀体最小寿命分布，得出最小寿命为100000次循环。（3）在Fatigue Tool/Damage选项中查看阀体的疲劳累积损伤系数，最大疲劳累积损伤系数为0.020<1，说明设计合格。（4）在Fatigue Tool/SafetyFactor 中可以看出整个球阀模型云图均为红色，疲劳安

11、全系数为15>1，说明此球阀偏安全。4减小球阀疲劳磨损失效的措施从球阀疲劳磨损的机理可知，凡是能够阻止凹坑或裂纹的形成及扩展方法都可以减小球阀疲劳磨损。减小球阀疲劳磨损失效的措施一般有以下几点：（1）在密封座中开卸压槽或在球体上钻卸压孔，可以平衡一定的压力，同时可以减小球体的弯曲变形和球阀启闭过程中的压力差。（2）合理选择密封副的间隙。由于球阀阀体和密封座的材料不同，其线膨胀系数也不同，故合理选择球阀的冷态间隙和热态间隙可以保证球阀高温工况下有效密封和顺利启闭。（3）残余应力的影响。一般情况下，当球阀密封座表层在一定深度范围内存在有利的残余压应力时，可以提高接触疲劳抗性减少疲劳磨损。在球

12、阀制造过程中淬火、表面渗碳可以使表面产生有利的残余压应力。232（4）降低表面粗糙度。降低表面粗糙度可以有效提高抗疲劳磨损的能力，一般情况下接触应力越大，要求表面粗糙度越低。5结语利用ANSYS Workbench 有限元分析软件对球阀密封座疲劳磨损失效问题进行分析，可以降低成本、节省时间、提高效率，给新产品的设计与开发提供了新思路。参考文献：1章华友等. 球阀设计与选用M . 北京：科学技术出版社，1994.2刘英杰, 成克强. 磨损失效分析M . 机械工业出版社，1991. 3王孝天，杨源泉，贺友宗. 不锈钢阀门的设计与制造M . 北京:原子能出版社，1987.4王加新，印峰平，徐明华.

13、球阀密封结构的分析及研究J . 阀门.2000（6）：29-32.5姚卫星. 结构疲劳寿命分析M . 北京:国防工业出版社,2003. 6李兵. ANSYS Workbench 设计、仿真与优化M . 北京:清华大学出版社, 2008.作者简介：马边际（1985-），山东枣庄人，本科在读，从事有关采矿工程专业的学习与研究工作，中国矿业大学应用技术学院采矿系，电子信箱：550332566.责任编辑：于淑清收稿日期：20100121煤矿机械Coal Mine MachineryVol. 31No.09Sep. 2010第31卷第09期2010年09月!引言目前的变型设计方法有：基于特征的造型设计和

14、参数化、变量化设计，其优缺点如下：（1）特征技术将工程概念与几何形状有机结合，大大提高了CAD 系统表达设计对象的能力，但是特征往往用来表达零件局部特性（如倒角、退刀槽），却不能有效支持零件级乃至产品级的设计过程。（2）参数化、变量化设计技术，通过对约束的求解快速获得产品的设计方案。系列产品由于功能、性能、结构类似，采用参数化技术实现变型设计可充分体现其优越性，但约束关系的表达方式对系列产品的参数化求解至关重要。“自顶向下”（Top-Down ）的设计，能够很好地表达系列产品的约束关系，并支持产品自上而下由总体到详细的设计过程，基于骨架模型的设计是支持Top-Down 设计的强有力工具。因此本

15、文采用Top-Down 设计思想，基于骨架模型构建系列产品的约束关系，开展自上而下的零部件详细设计；研究产品基于骨架模型的系列产品变型设计方法*贾海利，李充宁（天津工程师范学院天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津300222）摘要：为快速响应客户的个性化产品定制需求，研究了基于骨架的Top-Down 设计方法、产品级的参数化设计方法，在结构分析规划的基础上建立系列产品的装配体模型模板。通过变更模板的骨架零件的设计参数驱动整个产品的自动更新，实现由系列产品的模型模板快速映射为产品的设计实例，达到快速变型设计的目的。以2K-V 型减速器系列产品的设计为例验证了上述方法的有效性。关键词：系列产品

16、；骨架模型；产品级参数化；变型设计中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：10030794（2010）09023303Rapid Transmutation Design Method of Series Products Based onSkeleton ModelJIA Hai-li, LI Chong-ning（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Accurate Process Technology ，Tianjin University of Technology andEducation, Tianjin 3002

17、22，China ）Abstract ：The top -down design method based on the skeleton mode and the parametric design method of the product are studied for responding rapidly to the client customization. The assembly model template of the series product is created on the basis of analyzing the structure. Through changing the parameters of the skeleton belonged to template, the product assembly can be update automatically so as to realize the rapid transmutation design that is the mode