阀体四合环位置应力分析及优化设计

　　1 前言

　　 在关断类阀门中普遍采用压力自紧密封式结构（图1），连接的密封性能依靠工作介质自身产生的力来达到。随着压力的增加，填料室座的密封力也逐渐增大，密封性能也随之增加。由经典的力学分析可知，四合环将产生一个很大的剪力作用在阀体中安放四合环的内腔上部，阀体A 位置将产生应力集中现象。若对A 位置设计成圆角以减小峰值应力，阀体四合环位置的应力分析及圆角值的确定，需要给出设计规程及数据分析。

　　1.阀体、2.填料室座、3.密封圈、4.压板、5.四合环、6.压盖、

　　图1.压力自紧密封式结构

　　2 优化设计

　　 利用ANSYS 软件和优化设计方法能够实现阀体四合环位置的有限元分析及圆角数值的分析确定。为了对计算机资源的节省，可选取阀体和四合环的装配关系进行研究，将阀体的中腔作为研究对象，计算结果影响较小tulaoShi.com的零件和尺寸。为了便于分析的加载，选取装配件的1/4 进行计算，在对称面上施加无摩擦滑动约束。模型结果如图2 所示。

　　 阀体和四合环的材料属性为SA-182 F91 ，接触关系设置为Frictionless ，网格划分精度选择100 ，定义图1 中A 处尖角位置的网格大小为2mm，在阀体中腔及四合环下端面输入水压强度试验时的介质作用力76.5MPa 。求解Sint 应力并同时在分析设置中保存db数据库文件。

　　图2 装配体模型　 图3 应力云图

　　 在ANSYS 经典界面中打开db文件，运用软件的应力评定线功能，提取阀体安放四合环的位置并垂直于壁厚的薄膜应力和薄膜+弯曲应力值，数值列于表1。

　　表1 阀体四合环位置的应力强度值

　　 由结论可知，阀体在承受水压强度试验时，应力强度值没有超过许用值。现将阀体模型四合环处的尖角更改为圆角，并把圆角的属性更改为DS，将圆角参数化，之后转入ANSYS DesignXplorer 进行优化设计分析。

　　 DesignXplorer 技术可以量化地研究零部件设计参数变化时结构响应和热响应的变化，并用图形直观地表示这些变化，由此设计人员可快速地由现有产品生成新型设计，也可根据新的工作条件对现有零部件进行优化。

　　重复上述的定义材料属性、施加载荷并求解的全过程，保存结果后，将模型转入DX 中。根据机械加工工艺方面的要求，将圆角的下限设置成R=0.5mm ，由于四合环的空间限制，将圆角的上限设置成R=4mm 。经求解计算，得到圆角-应力曲线（图4）。

　　图4 圆角-应力曲线

　　 从曲线可以看出，在R=0.5～2.2mm 时，最大应力随着圆角的增加而逐渐减小在R=2.2mm 处达到最小值，之后在R=2.2～4mm 时，最大应力趋于平缓，说明随着圆角的增大而最大应力的变化并没有受到较大的影响。圆角与最大应力值的对应关系如表2 所示。将圆角的期望值设置成中间值，重要性设置为高，将最大应力值的期望值设置成最小，重要性设置成高，得到优化设计的三个候选方案（图5）。软件的优化设计结论认为，当R=2.2502mm 时，各项综合指标最优。

　　图5 优化设计结果

　　表2 圆角与最大应力的对应关系