球阀壳体的有限元分析

赵海琴 冯进

摘 要：运用三维设计软件建立了球阀壳体的三维实体模型，利用有限元分析软件建立了球阀壳体结的有限元分析模型并进行强度分析，得出球阀壳体的最大应力和应力分布规律，为球阀结构的安全合理设计和进一步优化奠定了良好的理论基础。

关键词：球阀；壳体；有限元分析

中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0007-02

Abstract： The 3D solid model of the ball valve shell is established using the 3D design software， the finite element analysis model of the ball valve shell junction is established using the finite element analysis software， and the strength analysis is carried out， and the maximum stress and the stress distribution law of the ball valve shell are obtained. It lays a good theoretical foundation for the safe and reasonable design and further optimization of the ball valve structure.

Keywords： ball valve； shell body； finite element analysis

球閥不仅结构简单、密封性能好、维修方便，而且它的旋塞体为球体，绕阀杆的轴线旋转90°便能快速启闭，驱动力矩小，操作简便。球阀在管道上主要用于切断、分配和改变介质流动的方向，设计成V形口的球阀还具有节流和控制流量的作用，被广泛的用于各行各业中。

球阀在实际使用中，由于工作的环境，需要承受巨大的压力，如果其强度不够，很容易开裂甚至发生爆炸，后果不堪设想，所以分析其结构的安全性有着非常重要的作用。本文根据设计的图纸建立了球阀壳体的三维模型，运用有限元分析软件进行强度分析，通过分析结果判定其是否满足设计要求，以便为结构的优化改进提供理论的依据。

1 球阀壳体有限元模型的建立

球阀壳体设计压力是69.0MPa，它主要由阀体、阀盖、枢轴和顶法兰四部分通过上端M8螺栓、下端M6螺栓和右端1/2-13UNC螺栓连接成一个整体，同时形成了3个相触面如图1所示。分析壳体的强度需要从两个方面分析，一是壳体本身的强度是否合格，二是螺栓连接是否合格。基于有限元分析相关理论和实际产品结构的复杂性，通常会对模型进行简化，又因为球阀壳体结构上的对称性，其所受载荷均匀周向布置，故选取壳体的一半进行有限元分析，以节约计算时间，节省资源。然后采用四面体单元进行网格划分，共产生单元总数16015个，节点总数26031个，建立的球阀壳体有限元网格模型如图2所示。

2 材料特性系数的确定

球阀壳体材料为不锈钢F53，螺栓材料为A479 UNS S32760，查阅资料可知其材料特性系数如表1。

3 加载条件的确定

加载条件主要包括壳体边界条件的约束及载荷施加面的确定。球阀壳体结构采用了1/2实体模型，对称面上载荷也呈对称分布，在约束条件中需施加对称边界约束。根据球阀实际使用工况，壳体的左端施加全约束。

球阀在工作中主要承受阀腔内均匀分布的69.0MPa的压力，按照API 6A标准要求，我们采用1.5倍的工作压力（即静水压103.5MPa）和12.5MPa端面轴向压力进行分析，螺栓的预紧载荷为275MPa，并结合实际使用工况，给3个相触面施加0.05摩擦力系数，由于壳体本身的重量不大，对模型分析结果影响不大，可以忽略不计。

4 计算的结果

具备了加载条件后，即可对模型进行计算，求得该工况下壳体和螺栓的受力情况。壳体的应力、应变和变形的最大位移情况如图3和图4所示。3个相触面上每个螺栓受力情况如表2所示。

5 结论

（1）通过图3所示，球阀壳体在静水压1.5倍工况下，压力分布由内而外逐渐减小，符合弹塑性力学理论的要求。壳体的外部安全区压力均小于46.3MPa，是安全系数最高的。壳体压力内部最大值是542.6MPa小于不锈钢F53材料的最大应许应力550MPa，按照API 6A标准的要求，压力容器内壁最大等效应力小于材料的屈服强度，这说明壳体本身的强度是符合要求的。

（2）通过图4所示，球阀壳体的最大位移为2.583×10-2mm，说明壳体整体刚度满足设计要求。

（3）通过表2和查阅相关资料可知M8、M6和1/2-13UNC螺栓的有效面积分别为36.60mm2、20.10mm2、91.54mm2，转换成最大螺栓应力分别为309.81MPa、317.41MPa、306.82MPa，又螺栓材料的屈服强度是550MPa，满足API 6A标准规定螺栓应力SA≤0.83Sy的要求，这说明螺栓的强度满足要求。

综上所述，通过螺栓连接的球阀壳体强度满足设计要求，安全系数也较高。在对壳体进行优化时，可以适当降低壳体的壁厚达到降低成本的效果。

参考文献：

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