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大口徑閘閥在供水和工業(yè)管道上被廣泛應(yīng)用，而閥體是其中最主要的零件之一，閥體的重量通常占閥門總重量的10%左右，因此它的結(jié)構(gòu)性能的好壞對閥門性能有重要的影響，由于大口徑閘閥閥體受到結(jié)構(gòu)長度的限制，其容納閘板的內(nèi)腔通常為扁圓形或橢圓形的異形容器，很難用理論公式對其進行有限元分析，通用的做法是利用近似公式進行計算，但是這種計算不能全面反映閥體的受力情況，也不能給設(shè)計人員指出閥體結(jié)構(gòu)的改進方向。隨著計算機技術(shù)和力學(xué)理論的發(fā)展，采用有限元分析方法進行結(jié)構(gòu)的三維力學(xué)分析已經(jīng)成熟，并在壓力容器的結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛的應(yīng)用，對閥門進行設(shè)計時利用有限元分析計算，并根據(jù)計算結(jié)果合理設(shè)計閥門結(jié)構(gòu)尺寸，可為閥門設(shè)計提供可靠的改進意見，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，縮短閥門設(shè)計周期，提高設(shè)計效率，節(jié)約制造材料。本文以大口徑楔式閘閥為例，以最大等效應(yīng)力作為目標(biāo)函數(shù)，以閥座凸處基本尺寸作為設(shè)計變量，對影響閥體強度的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用一階優(yōu)化方法進行有限元優(yōu)化計算。
閥體的參數(shù)化模型應(yīng)該能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實際狀況，即其形狀、邊界條件和載荷與實際情況要保持一致，同時在保證計算精度的前提下，模型應(yīng)盡可能簡化，因此在建模過程中對閥體的一些不影響總體性能的特征進行簡化處理，忽略一些不必要的倒角，得到參數(shù)化計算模型如圖所示。由于模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了使計算結(jié)果更加精確，因此采用10節(jié)點的四面體單元對模型劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的模型有51797個節(jié)點，29851個單元，如圖所示。閥體的材料為WCB，材料特性為楊氏彈性模量E=206 GPa，泊松比0.25；在閥體進出口兩端法蘭施加固定約束，中法蘭施加Y方向約束；根據(jù)閥門水壓試驗要求，按設(shè)計壓力的1.5倍在閥體內(nèi)表面施加7.5 MPa壓力作為計算壓力，施加載荷后的模型如圖所示。經(jīng)有限元程序求解后，得到由第三強度理論為基礎(chǔ)的閥體等效應(yīng)力，如圖所示，閥體最大等效應(yīng)力為144.2 MPa，材料的許用應(yīng)力120.69MPa，最大等效應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力范圍，在閥體中腔有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，原因是此處形狀發(fā)生突變，并且截面為近似橢圓體形狀，更接近于矩形，受力狀況不好，這也正是大口徑閘閥設(shè)計和計算的難點所在，因此有必要討論閥體中腔形狀對閥體強度和應(yīng)力分布的影響。
由閥體最大應(yīng)力位置處在閥體中腔可知，中腔形狀對閥體強度有很大的影響.對閥體中腔形狀有影響的參數(shù)以閥座凸臺截面為基準(zhǔn)，如圖所示，中腔其余位置的形狀都以此截面為基準(zhǔn)得到，由圖中可看到，此截面有5個參數(shù)，大圓位置由R= 1300mm和短軸長度L=112.5 mm來完全定義，小圓半徑為259 mm，大小圓相交處為R=40 mm的倒圓，其中閥體最小壁厚為t=25.4 mm，小圓半徑等于中法蘭半徑，在此不做討論，因此只有R、R1和短軸長度L三個參數(shù)對閥體中腔形狀有影響。為了減少閥體應(yīng)力集中現(xiàn)象，使應(yīng)力分布更加均勻并滿足強度要求，對其中腔進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1)優(yōu)化目標(biāo)：閥體等效應(yīng)力最大值小于材料許用應(yīng)力；2)設(shè)計變量：由計算結(jié)果得知，應(yīng)力最大值在閥體中腔處，并且影響閥體中腔形狀的參數(shù)為R、R1和L，因此定義設(shè)計變量DSR、DSR、DSL的初始值分別為1300，40，112.5 mm； 3)約束條件：由于是實際的工程問題，設(shè)計變量的選擇必須滿足工程需要，因此約束條件:DSL范圍為101-124 mm，DSR范圍為900-1500mm，R1范圍為30~70 mm；4)優(yōu)化方法：采用一階優(yōu)化方法，即通過對目標(biāo)函數(shù)添加罰函數(shù)將有約束的多變量非線性規(guī)劃問題變成無約束的非線性規(guī)劃問題，自動運行優(yōu)化程序，在優(yōu)化的每一次循環(huán)中都對模型重新劃分網(wǎng)格，完成優(yōu)化分析后，得出響應(yīng)圖觀察優(yōu)化結(jié)果；5)參數(shù)對等效應(yīng)力的影響：經(jīng)過對閥座凸臺截面尺寸進行有限元優(yōu)化計算后得出響應(yīng)圖，其中DSL對閥體等效應(yīng)力的影響如圖所示，看出短軸長度L=109 mm時，等效應(yīng)力最大值為最小，當(dāng)偏離這個值時，應(yīng)力上升很快，其余參數(shù)的響應(yīng)圖也有類似的分布規(guī)律。 從圖中可看出當(dāng)參數(shù)達到某一個值時，應(yīng)力值達到最小，這是所有優(yōu)化變量共同作用的結(jié)果，而不是某個參數(shù)在獨自作用，實際的響應(yīng)圖應(yīng)該是三維圖形，這樣求得的解為約束范圍內(nèi)的全局解。
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