ADINA软件在闸阀阀板结构计算中的应用

ADINA 软件

在闸阀阀板结构计算中的应用

刘梅清,高婧宇,蒋　劲,赵文胜

(武汉大学动力与机械学院流体机械与工程研究所,湖北武汉430072)

　　摘　要:软密封闸阀是一种量大面广的通用设备,在各种工业领域均发挥着重要作用。本文围绕DN100软密封闸阀阀板的结构计算展开,分几部分重点对应用ADINA 软件进行的阀板结构计算进行了详细介绍,并对其刚度和强度等参数进行了校核。其中包括应用ADINA 软件的建模过程、定义边界约束条件、施加载荷、规定材料特性、生成单元组、有限元网格密度控制和划分以及求解结果的显示和校核等。计算结果表明,应用ADINA 软件对阀板的结构和受力进行模拟和仿真,能达到较高的计算精度和求解效率,具有推广价值。　　关键词:有限元;ADINA ;软密封闸阀;结构计算　　中图分类号:TQ055.8　　　文献标识码:A

Application of Adina in the G ate V alve Plate Structure Computation

L IU Mei 2qing ,G AO Jing 2yu ,JIANG Jin ,ZHAO Wen 2sheng

(Institute of Fluid Machinery and Engineering ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China )

Abstract :Soft seal gate valve is a kind of common 2used equipment that plays an important role in a variety of industries.Based on the structure characteristics of DN100sealed gate valve plates ,an introduction in detail to the analysis of a gate valve plate structure with ADINA is implemented in this article ,and the stiff ness and strength of the structure are verified.The foundation of finite element model ,application of loads and constraints ,control of the element density and the demonstration of results are included.Calculation results show that the simulation of the gate valve plate with ADINA can achieve higher accuracy and efficiency ,and should be pro 2moted.

K ey w ords :finite element ;ADINA ;soft seal valve ;structural calculations

收稿日期:2009206223

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50879062)。作者简介:高婧宇(19862),女,硕士研究生。

1　概　述

闸阀在目前的工业生产中应用极其广泛。各种闸阀在原子能、宇航、石油化工、机械以及制药等工业部门占有很重要的地位。特别是在化工部门,据统计,闸阀的数量约占各类阀门总数的65%[1]。软密封闸阀是一种量大面广的通用设备,不只用于给水排水工程,其他如发电、石油、化工、轻工以及建筑和民用行业均需大量使用,因此在全国市场需求量极大,估计年用量将近百万台。

在传统的阀门设计中,主要采用人工方式建立实体模型,

再根据模型的各方面特性进行网格划分并针对各个节点列方程组求解,最后对所需的阀门的各方面因素进行分析。但是,长期以来的实践表明,这种设计方法工作量大,计算过程过于繁琐,计算精确度不高。使得在实际应用中,由于结构原因,软密封闸阀常常出现局部应力集中或应力分布不合理现象[2]。

随着计算机技术和力学理论的发展,采用CA E 软件的有限元分析方法进行结构的三维力学分析已经成熟[3],并在压力容器的结构分析中得到广泛的应用。ADINA 软件的CAD/

CA E 功能能很好地进行闸阀的建模、阀体的有限元分析等过

程,从而对阀体的尺寸和结构进行优化,并可对分析结果进行直接的观察。同时,由于建模所得的实体模型可直接用于有限元分析和优化设计,所有的操作都将在同一个软件中进行,可以省略物理样机的制造和试验过程,大大减小计算量,提高计算精度和工作效率。

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9中国农村水利水电・2010年第1期

2.1　问题分析

软密封闸阀是用橡胶以正斜面挤压的方式代替金属摩擦面密封的一种特殊闸阀。这种闸阀基本上没有摩擦,即将闸板整体外包中硬橡胶,下面做成垂直于管轴线的圆弧,两侧倾斜45°到60°不等,上面做成垂直于轴线的两个45°到60°的斜面,闸板上下的密封面通过外包的橡胶直接与铸造闸阀内面密封。由于橡胶的弹性模量小,弹性限度大,允许变形大,即便用基本平整但不够光滑的铸造面作为密封面,仍能达到密封要求。

近年来,软密封闸阀在工程中得到了广泛的使用。它采用法兰螺栓连接,支管两端为法兰连接结构,启闭件采用半密封副强制密封,性能优良。密封副材料为耐磨陶瓷或耐磨合金,耐磨性强、耐擦伤、摩擦力小、密封可靠。如果闸板损坏而不能密封,只需更换同规格同型号的闸板,即可重新达到满意的密封效果,并不需要更换整台的阀门。其他各零部件的损坏均可以通过更换相同零部件达到原有的使用效果,这样可大大降低使用方的设备维护费用[4]。阀体出口流道线型合理,不存渣,启闭灵活,不卡阻。阀杆表面经调质及氮化处理,有良好的抗腐蚀性,抗擦伤性和耐磨性。中大口径设置滚动轴承,启闭轻松。

本例应用ADINA软件对DN100软密封闸阀阀板结构进行分析,并给出了相应结果。

选择分析模块:从控制窗口的右上方列表框中选定求解器。由于所进行的闸阀阀板结构分析是静力结构分析,所以,启动ADINA AU I后从Program Module中选择ADINA Struc2 tures,并且将Analysis Type设置成Statics,并保留NO FSI选项。使用Control菜单输入和修改总体控制数据。要输入的总体控制数据主要依赖于求解程序和分析选项。

总体参数控制:为了在后处理中能清晰地查看结果及制作动画,应使AU I内存不小于50MB;通过总体自由度设定锁死没有刚度的那些节点的主自由度,会使计算效率更高,所以从菜单将X2Rotation,Y2Rotation和Z2Rotation自由度去掉。2.2　阀板建模

应用ADINA软件进行模型的设计过程实际上是实体特征的堆积过程,尤其在ADINA-M建模过程中,这一特点体现地尤为明显。在堆积过程中通过布尔运算对零件进行添加和切削,最后形成实体模型[5]。阀门零件形状虽然不太规范,结构也较复杂,但由于ADINA软件的技术特点,在设计时操作就很简洁,通过使用添加和切削以及拉伸、旋转等功能即可完成零件的大部分建模。

阀体的参数化模型应该能准确反映结构的实际状况[6],即其形状、尺寸应与实际情况保持一致,同时在保证计算精度的前提下,模型应尽可能简化,因此在建模过程中根据阀板的实际图纸结构尺寸,同时结合对阀体的一些不影响总体性能的特征进行简化处理,忽略一些不必要的倒角,得到参数化计算模型如图1所示。图1是最终建模结果,模型已经具备了阀板结构分析的形状和尺寸要求,并且已经形成了一个模型整体。建模过程大部分在ADINA2M菜单中完成,辅以G eometry菜单功能,其中涉及到整体和局部坐标系的定义及使用,体的生成与删除,布尔运算,扫掠回旋成体,切面的定义,比例变换,体的移动、镜像、复制、旋转、缩放等操作

。

图1　阀板建模结果

2.3　定义特性参数

定义和施加边界条件/载荷:对于几何元素的约束和施加载荷的处理,约束/载荷的定义和施加分两步进行。首先,分别定义施加到各个位置处的各种约束/载荷并赋予一个名称;然后,施加约束/载荷,使用名称到模型某一位置。由于模型边界条件为上端受全约束,左右两边键槽受X向、Z向约束。在Apply Fixity对话框中,将X2Translation设置为XT,将Z2 Translation设置为ZT,再将约束分别施加到上端面和左右键槽处。由于阀门进口端面受法向载荷,大小为1.76MPa。在Apply Load对话框中,给载荷类型Pressure赋予1.76(已经过单位转换)的数值,再将载荷施加到进口端面处。最后单击Load Plot和Boundary Plot图标,图形窗口如图2所示

。

图2　约束和载荷显示

定义材料和单元组:所有的材料对话框均在Model/Mate2 rials菜单中。阀门骨架材料为Q T450球墨铸铁,外层材料为天然橡胶,材料的力学特性见表1。

表1　材料的力学特性

材料名称

密度/

(kg・m-3)

弹性模量E/

GPa

泊松比μQ T45073001680.24

天然橡胶13000.0040.48

　　在Manage Materials 对话框中,将Elastic Isotropic 材料的各项参数按照表中设置,保存即可。单元组包含的信息有单元类型、材料类型、求解过程中的公式和单元组的其他控制信息。单击Define Element Group s 图标,增加32D Solid 单元组。以上两项操作将在Model Tree 中有所显示。

2.4　网格划分

控制网格密度:为了对几何对象进行网格剖分,首先要给几何对象赋予网格划分密度,然后生成单元和节点。使用先对整个模型的细分数据,后再在特殊点处细分的方法。先在

Meshing/Mesh Density/Complete Model 对话框中,用Use Length 的方法,设置整个模型的网格密度。再用Subdivide Faces 和Subdivide Edges 对话框,对倒角处、底面拐点处和进

口端面处的网格分别进行细分。

生成节点和单元:根据单元组的不同,网格划分时,可以选择相应的每个单元所具有的节点数,单元实际数目和位置由网格划分生成算法决定。由于模型结构比较复杂,为了使计算结果更加精确,因此采用11节点的四面体单元对模型进行自由网格划分,划分网格后的模型有6个节点,25123个单元。网格划分精度合理,满足设计要求。划分网格后的模型如图3所示

。

图3　有限元模型

3　求解和后处理

求解的目的是生成ADINA 数据文件,运行ADINA ,并把结果文件载入到Post 2Processing 中。单击Data File/Solution 图标,输入文件名设置成,确认选了Run ADINA 按钮后,单击

Save 。ADINA 运行完毕后,关闭所有对话框。从程序模块的

下拉式列表框中选择Post 2Processing ,打开结果文件。

ADINA 软件提供了多种显示结果的方式,如网格图、云

图、载荷图、单元矢量图、线单元结果图、路径图和支反力图、列表显示等,这些图形显示在指定的控制区域上。图形显示结果是一种非常直观、有效的结果显示方式,并且可以根据不同的分析目的显示不同的分析结果。在网格图中显示各种变量,如位移、应力等的实体填充的或等值线条纹图,成为云图。云图支持单元的所有变量显示,这些变量包括节点变量,如位移或温度。生成云图前,必须首先显示一个网格图。点击Plot 工具条Band Plot 图标,并填选对话框后生成云图。下面给出了位

移和放大变形显示结果,见图4、5、6、7

。

图4　X 方向位移分量

图5　Y 方向位移分量

图6　Z 方向位移分量

根据以上分析可知,DN100阀门在正常运行条件时,闸阀阀板在给定载荷作用下X Y 方向最大应力为119.83MPa ,小于阀板许用应力值128.08MPa ,满足强度要求。闸阀阀板在给定载荷作用下最大变形为0.01285mm ,根据经验可知,密封性良好,不会发生泄漏。

4　结　语

针对国内外的研究现状,本文在主攻方向的选择上将重点放在应用ADINA 软件对闸阀阀板结构进行有限元计算。对有限元分析理论以及ADINA 软件的使用方法,(下转第100页)

极有可能在该处形成过洪通道而发生溃决或垮坝事故,如百色市平果县岩小水库,在大坝左端坝顶以下5m 深处开挖隧洞铺设村民人饮工程供水管道后回填土不压实、穿洞处没有进行有效灌浆防渗处理,于2004年汛期遇强降雨后该处坝段漏水塌陷、洪水漫过塌陷成凹槽导致溃决灾害[1,3]。

近年来绝大部分小型水库除险加固时已在坝外新建灌溉放水设施,对原穿坝涵管(洞)进行了全封堵报废处理,但少量工程因地形地质等条件所限,穿坝涵管(洞)通过加固仍沿用,仅把放水斜管设施改建成放水塔,其穿坝涵管漏水及其不安全的风险还存在。

3　工程管理方面的几点建议

前面所述的一些中小型病险水库发生的重大险情或灾害事故,究其原因有先天的工程缺陷、规划与勘察设计方面的缺陷、工程施工质量方面的缺陷,也有工程技术管理方面的缺陷与不足。近两年对中小型病险水库进行了安全鉴定和加固设计,而且加固建设工作已基本完成,故这里不谈针对中小型病险水库工程的缺陷及病态病险的加固设计处理措施,只就小型病险水库工程管理方面的问题谈点看法。

鉴于不少小型水库托由乡镇管理,而目前许多小型水库工程运行管理还存在水利专业人才不足、职工技术培训欠深度、技术管理缺位、汛期巡查工作流于表面、管理工作质量不高等问题,为此提几点建议。

(1)优化基层水利管理机构人力资源配制,适当增加水利

专业人员,为提高基层水利管理工作水平和提高小型水库工程管理质量提供技术人才支撑。

(2)加强乡镇基层水利管理人员的业务或技术培训,学习、

理解或掌握水库工程管理的专业知识和基本方法及运行规范要点,了解或熟悉所管辖的小型水库基本情况和管理制度,熟知水库的基本特征参数、各建筑物的基本运行状态,懂得险情的先兆及其紧急处置方法等,提高病险水库病态及其潜在危害性的识别能力,强化履行岗位职责的技能。

(3)目前,广西等西部省区不少小型病险水库还在带病运

行,应对这些工程原设计及历次除险加固资料进行分析鉴定,必要时对小(2)型病险水库作一次全面现场检查,以了解是否有如前所述的那些工程质量缺陷及病态特征。

(4)小型病险水库因数量多且除险加固工程前期工作周期

太短而可能造成工程勘察设计深度不足,或除险加固工程建设因赶工期、赶进度而造成施工某些质量缺陷,一些工程原来的隐患或病症可能没有得到根除,许多小型病险水库还在带病运行,水库今后运行中或于汛期会发生或显露出如前所述的一些险情及病态特征。因此,要完善水库巡查和建立定期分析大坝观测数据的工作机制,加大汛期巡查工作深度,掌握巡查和观测的方法及要求,定期地分析大坝观测数据,识别病态特征及诊断内部病因,以便及时了解或掌握大坝等重要建筑物的内部状态,发现问题及其采取应对措施,防患于未然。□

参考文献:

[1]　余作仁.广西水库垮坝统计[R ].南宁:广西水利工程管理局,

2005.

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建设与管理,2006,(4):69-71.

(上接第95页

)图7　放大变形效果

本文主要借鉴已有的研究成果,并在此基础上以株洲南方阀门厂生产的DN100软密封闸阀阀板为例,建立阀板计算模型并进行有限元分析求解,从而校核该阀板是否满足强度与刚度要求。

计算误差主要来源于以下几个方面:①作者对ADINA 软

件的工程力学以及材料特性的应用方面经验积累不够,在进行材料的特性规定、边界条件的定义和网格划分控制方面均采用了较为简单的算法,与实际的复杂情况相比,会产生误差;②根据图纸和实物进行建模的过程中,尺寸大小存在误差;③根据有限元划分网格的需要对模型进行了一定的简化,会引起误差。在以后的深入计算中,作者将继续这方面的探索,并将计算工作扩展到更加复杂和广阔的领域中去。□

参考文献:

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01病险中小型水库的工程质量缺陷及病态特征探析　　何善国