隨著科學技術的不斷進步和制造水平的不斷提高,閥門的生產也在向著高溫、高壓、大口徑、高密封等高參數方向發展,同時也希望閥門的制造在充分保證安全性的前提下,盡可能做到經濟性。 

  對于高壓大口徑的全焊接球閥,若按原有的以經驗公式為基礎的“常規設計”方法(Design by Rules)進行設計,其口徑超出了常規設計的經驗公式的適用范圍,只能依靠實驗研究,進行對比分析設計,這樣會導致成本提高和設計周期延長,而設計出的產品雖然可以保證安全性,但卻不能保證經濟性。 “分析設計”方法(Design by analysis)與有限單元法(Finite Element Analysis)是現代結構分析中的重要手段。

  由于失效準則的選取不同,“分析設計”方法與有限單元法考慮到局部應力對整體應力的影響,并且根據引起應力的原因將應力進一步分類判定,在保證強度的前提下,放寬了應力的限制條件,對大口徑閥門而言,將大幅度節省材料,降低成本。本文將NPS56Class900的全焊接球閥為例： 

  首先,采用分析設計方法,通過彈性力學、板殼理論的基本公式,對閥體危險截面的應力進行分析,并確定了應力與壁厚之間的計算關系,將應力分析所得結果進一步劃分為一次薄膜應力Pm,一次彎曲應力Pa和二次應力Q,根據JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設計標準》中的判定要求對各類應力強度進行限制。

  在滿足各類應力強度的條件下,確定了閥體壁厚。 其次,根據計算所得壁厚,應用有限元的方法,采用ANSYS Workbench軟件,對閥體進行工作狀態下的數值模擬計算。對運算結果中應力集中處的應力進行應力線性化處理,從而得到各類應力,加以判定,驗證“分析設計”方法所得壁厚是否符合強度要求。 

  最后,將通過“分析設計”準則所得壁厚與按“常規設計”準則確定的壁厚進行比較,以體現“分析設計”方法與有限單元法在閥門設計中的優越性。

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