ANSYS Workbench在阀体密封分析中的应用

刘一强

摘要：应用有限元分析方法建立密封系统的三维有限元模型，以ANSYS Workbench有限元分析软件为基础计算法兰与垫片之间的应力场和接触压力。然后根据分析结果，尤其是接触面之间的接触压力，并结合密封面计算比压的理论计算公式，对有限元方法分析阀体密封性能进行验证。为合理、科学的阀体密封泄漏原因分析提供了先进的技术手段。

关键词：球阀；有限元；密封；接触压力

引言

阀门的强度、刚度以及密封性能是阀门最重要的技术性能指标。強度失效和密封失效是阀门最常见的两种失效形式。在设计时要求必须具有足够的强度和刚度，以保证长期使用而不发生破裂或者产生变形；要求阀门各密封部位有合理的密封比压，以保证密封部件既不损伤又能有良好的紧密度，以阻止介质泄漏。阀体、阀盖的强度分析已经很成熟，而阻碍现代密封设计应用的因素有：密封结构中包含复杂材料特性的密封元件；有限元求解过程中包含接触分析；密封结构在工作状态中遇到的不稳定工况，如温度、压力、密封介质特性等。因此，大多数情况下设计人员沿用传统的凭借经验来确定密封结构的方法。而基于经典力学理论的常规设计计算方法由于其固有的局限性，对于复杂几何结构、多载荷作用下的计算是无能为力的，即使对于受简单边界条件的结构，也会因为结构较复杂使得计算不准确，甚至与实际相差甚远。随着有限元分析方法的发展，基于有限元法数值模拟成为解决这些复杂问题的利器，很多学者及技术人员，对阀门单个零件或整体进行了有限元计算和结构分析。

ANSYS是当前使用最广泛的大型通用有限元分析软件，具有强大的求解器，可以对结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场进行计算。但是ANSYS的建模能力相对薄弱，并对分析模型要求苛刻。为解决该问题，ANSYS为目前主流的CAD软件提供了预留接口，SolidWorks也在其中。

本文以球阀为研究对象，考虑部件之间的接触作用，建立起阀体、阀盖、垫片、螺栓与螺母一体化的三维模型，针对金属缠绕垫片的非线性特点，使用有限元分析软件ANSYS获得接触面之间的接触压力，以及螺栓拉应力计算结果，为密封结构的设计和优化提供技术支持。

1.用SolidWorks建立分析模型

由于本分析主要研究密封面之间的密封性能，因此在三维建模时，忽略其他不考虑且对分析结果影响很小的部件，这样不仅节约了计算机资源，而且提高了计算结果的准确性。本例以DN50、PN50的球阀为例，利用三维建模软件Solidworks强大的实体建模功能进行实体建模，并对各零件进行组装，生成装配体，其中截面剖视图，如图1所示。

2.有限元分析

2.1模型导入

由于该阀门几何结构和边界条件呈左右对称，在有限的时间内，为减少工作量，取模型的1/2作为研究对象并建立有限元计算模型。通过SolidWorks和ANSYS软件的无缝接口，将球阀模型导入ANSYS软件，从而实现二者之间的数据连接。

2.2设置单元类型并划分网格

在本计算模型中，共选用了四种单元，高阶次实体单元MESH200，面面接触单元TARGE170与CONTA174，螺栓预紧单元PRETS179。

网格划分是建模中非常重要的一个环节，网格形式的选取是决定网格品质和结果精度的重要因素。如果网格单元太小，会造成网格过密，导致计算成本过高。本例中由于我们重点关注垫片与法兰接触面处的接触应力，所以只需要细化法兰与垫片接触面的网格，而其他位置的网格不用过于细化。本模型为四面体和六面体划分，一共64143个单元，109699个结点。网格模型如图3所示。

2.3设置材料属性

阀体和阀盖材料为CF8M，其弹性模量为2.06E5MPa，泊松比为0.29；螺栓材料为B8M，螺母材料为8M，两者的弹性模量都为2E5MPa，泊松比为0.3；垫片材料为AISI316L+GRAPHITE，属于非线性材料，材料的应力-应变曲线如图4所示。

2.4施加约束和载荷

按照阀门现场工作的受力状态，对模型分别施加以下约束条件：

（1）添加对称约束：由于本模型是对称模型，所以在模型的对称截面上施加对称约束。

（2）添加位移约束：为了使模拟与实际情况更接近，对阀体进口端的法兰孔上施加轴向和径向约束，切向自由的位移边界。

（3）施加螺栓预紧力：根据螺栓施加扭矩和螺栓预紧力的计算公式，得螺栓预紧力为20833N。

（4）施加压强：在阀体和阀盖的壳体内表面上施加5MPa压强。

由于本计算中既有螺栓预紧力，又有压强，在施加载荷时把载荷步分为两步，第一步施加螺栓预紧力，第二步施加压强。

2.5计算结果及分析

此分析可以全面研究螺栓法兰垫片系统的内在规律和密封机理，能得到法兰垫片密封系统各部件的应力场和位移场计算结果，尤其可以获得垫片的压缩量、垫片与接触状态、接触应力、结合面的间隙等很重要的具体数据。这里仅给出部分的计算结果，着重分析球阀阀体的密封。

在施加螺栓预紧力和内部压强的工况下，垫片的应力分布呈复杂状态。要保证良好的密封性能，必须在垫片上形成一条压应力不小于密封必压的周向闭合环带，这里有几个要求：一是环带必须要闭合，否则会泄漏；二是压力不能过大，否则垫片被压溃；三是闭合环带的应力分布尽量均匀；四是闭合环带宽度越大越好。根据非金属缠绕垫片的材料性能参数，要求垫片的压应力应不小于69MPa，以保证密封性能。

图5为阀体的变形云图，图6为阀盖的变形云图，从图中可以看出，由螺栓连接的两个法兰内侧相对原来位置张开，而它们的外缘则产生相互靠近的变形，使得螺栓除了拉伸变形外，还会产生由向外弯曲变形，从而引起拉应力和弯曲应力合成的应力强度。在预紧力和内压力的作用下，垫片受压，但是由于上述变形条件下，垫片的外缘密封效果会好于内侧密封。

图7为螺栓的拉应力强度，由于结构的周期不对称性，各个螺栓的应力状态及大小是不一样的，中间螺栓的应力最大。在此工况中，由于螺栓预紧力作用而引起，以拉伸应力为主和少量弯曲应力合成的应力强度值为403MPa，低于螺栓的抗拉强度值640MPa。

图8为垫片与阀体的接触应力的分布云图，图9为垫片与阀盖的接触应力的分布云图，可以看出垫片上的接触应力分布不是均匀分布的。垫片与阀体的接触应力和垫片与阀盖的接触应力差别不大，垫片径向接触应力状态差别较大，垫片的外缘受压缩作用比较显著，所以垫片外缘处的接触应力比较大。为了保证紧密性，要求在垫片的周向压紧面上必须存在一条压应力不小于必需密封比压的闭合环带，否则就会泄漏。查标准知金属缠绕垫片的必需密封比压为69MPa，对比两个接触面上的接触压力，可知此阀门不会产生泄漏。

根据《实用阀门设计手册》密封面计算比压的计算公式算得垫片与法兰接触面间的密封面计算比压为92.9MPa,而这个值只是一个理论值，并不能代表密封面上每点处的密封压力值。通过有限元方法算得的密封面上的密封压力，能实际反映具体工况下，密封面上每点处的密封压力，取分析所得的垫片与阀体的接触应力的平均值为90.55MPa，与密封面计算比压的误差为2.5%；取垫片与阀盖的接触应力的平均值为88.19MPa，与密封面计算比压的误差为5%，说明分析的结果非常可靠。

3.结论

通过以上实例证明了利用三维建模软件SolidWorks以及有限元分析软件ANSYS的无缝连接，应用有限元理论和非线性接触模型，完全可以对垫片与法兰处的接触状态进行精确地分析，此方法保证了设计的可靠性和完整性，为阀门的结构设计计算和结构优化提供了一个参考的技术途径。

4.参考文献

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