基于阀门设计的应力集中分析

周云忠 柴为民

摘要：阀门设计中涉及到的应力集中问题，是影响阀门产品设计参数的重要因素，因此对于应力集中问题的相关研究也日渐增多。应力集中指的是物体受到外力条件的影响下，产生几何形状和外形尺寸的突变，进而引起局部范围内的应力显著增加的现象，容易出现应力集中的部位，大多在物体的尖角位置、缺口位置以及其他具有刚性约束的位置。应力集中现象也是阀门产品设计中一种常见的现象，如何通过科学的计算，加强对阀门应力集中的科学计算，从而获得理想的计算结果，将其应用到阀门设计中，提高阀门设计的效率，是当前面临的重要问题。本文就主要针对阀门设计的应力集中的相关问题进行简单的探讨。

关键词：阀门设计 应力集中 局部細化法

应力集中是阀门设计中一种常见的现象，通过科学的计算，掌握应力集中的数据信息，对于优化阀门产品结构设计有着十分重要的意义。同时，应力集中对于阀门产品的使用寿命也有着较大的影响，通常情况下，阀门结构的疲劳寿命对应力集中有着很强的敏感性，而以往的计算方法中，大多是在常规静力学的分析中获得的结果，这种状态下的计算结果在阀门产品的疲劳预测中，却存在着较大的误差，因此，为了获得更准确的数据，必须要采用科学的应力集中计算方法，文章就针对这一问题进行分析。

1.应力集中分析方法

1.1局部细化法

局部细化法是进行应力集中分析的常用方法，其在模拟结构应力集中的问题上，准确性较高。局部细化法指的是对整个模拟区域进行划分，形成多个网格形式，然后再针对其中应力梯度变化较大的单元或者是区域，进行重点加密。在实际的操作中，可以将网格中的某个点为中心，对其周围的区域进行细化加密，以此实现单元或者区域的加密。

1.2子模型方法

在应用局部细化法的应用中会出现一种现象，某些单元的网格区域内的网格密度不够，但是其他的部位网格密度已经足够，在这种情况下，对于用户比较关心的区域，就很难保证应力集中分析结果的准确性，无法到用户的需求，这里就需要应用子模型技术。子模型技术主要是针对已经获得的区域内的单元进行更加细化的单元分割，从而获得更精确的数据。子模型技术需要将应力集中区域进行切割，而切割的边界就是整个模型区域的分割边界，整体模型的切割边界能够为子模型边界的确定提供依据和参考。子模型方法以圣维南原理为根本的理论依据，如果模型的负荷经过切割而分布在不同的区域时，应力的变化在荷载施加部位的边缘发生变化，而其他区域上的应力不会发生较大的变化。因此，应用子模型技术时应当与应力集中的位置存在一定的距离，才能保证结果的准确性。

1.3自适应网格划分

自适应网格方法主要是针对某些应力变化较为显著的区域内，根据应力变化引起的变形和波动，对误差进行估计，从而自动判断网格的分布密度是否科学，为网格分布提供必要的依据。如果判断结果说明网格密度不够，则程序将自动将网格密度升级，以此减少误差。网格在不断的调整过程中逐渐细化，达到网格分布点与物理解的耦合，便可以通过求解的过程将误差降到最低，最大限度的保证结果的准确性。

2.阀门设计的引应力集中方法应用实例

在实际的阀门设计工作中，选择正确的应力集中分析方法，能够有效的促进应力集中分析的准确性。文章以某闸阀为例，对三种不同应力集中分析方法的应用过程和效果进行对比分析。

2.1模型的建立

根据设计图纸中闸阀的结构设计，利用三维实体软件PRO/E建立分析模型，同时建立PRO/E与ANSYS之间的无缝连接，以此实现有限元分析模型的建立。闸阀模型如图1所示。

图1 闸阀模型

2.2闸阀模型的网格划分

为了保证分析结果的准确性，需要对模拟结构进行必要的结构划分，这里应用带有中间节点的二阶单元实现模型结构的划分。在二阶单元中包含多个四面体单元，这些单元结构具有较强的拟合功能，能够在复杂的结构中实现不同单元之间的有效连接，也能够促进模拟结果准确性的提高。在本次研究中，以结构对称性理论为基本的研究依据，对于闸阀模型进行了全面的分析。模型荷载分布如图2所示。

图2 闸阀模型荷载分布

2.3闸阀应力集中分析

根据网格细化法的应用要求，对于该闸阀模型以20为标准进行网格细化，子模型技术中应用的粗糙模型尺寸也以20为标准，自适应网格中最小的网格单元是10，最大的迭代设置为100，结构误差为5%。通过三种不同的网格划分和分析方法，获得三组应力效应数据，分别为286、271、273。由此可以看出，利用网格细化法获得模拟效果最好，而另外两种方法在模拟和网格划分方面都相对较为繁琐，而且在模拟结果方面也存在不同程度的误差。

3.应力集中准确性对阀门设计的影响

阀门应力集中的分析结果对于阀门设计的可靠性有着重要的影响，应力集中分析结果能够为阀门设计和制造提供详细的数据依据，不仅能够促进产品设计的科学性，同时也能保证阀体的最佳性能，延长阀门的使用寿命。在实际的应力集中分析过程中，需要根据阀门的不同使用要求，对于应力集中分布的特点进行分辨，才能保证应力集中分析结果的可靠性，从而促进阀门设计的科学性。

4.结束语

通过本文的分析可以看出，在相同的条件下，利用局部细化法能够更加全面的模拟出阀体应力集中的实际情况。同时，利用这种方法也能够将梯度变化较大的其他问题进行很好的模拟，并且获得较为理想的效果。在实际的操作过程中，局部细化法的操作很简便，只需要对梯度变化较大的节点和单元进行加密操作便能实现模拟过程。如果加密的结果达不到理想的要求，可以提高加密的等级，直到合格为止。综上所述，对于阀门设计的应力集中问题的研究，应用局部细化法能够达到理想的效果。

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