閥門的強度、剛度以及密封性能是閥門重要的技術性能指標。在設計時（shí）要求必須具有足夠的強度和剛度，以保證長期使用而（ér）不發生破裂或產生變形；要求閥門各密封部位有合理的密封比壓，以保（bǎo）證密封（fēng）部件不損傷而又能有良好（hǎo）的緊密度，以阻止介質泄漏。而基於（yú）經（jīng）典力（lì）學理論的（de）常規設計計（jì）算方（fāng）法（fǎ）由（yóu）於其固有的局限性，對於複雜（zá）幾（jǐ）何結構、多載荷作用下的計算是無（wú）能為力的，即使對於受簡單邊界條件的結構，也會因為結構較複雜使得計算不準確，甚至與實際相差甚遠。因此，基於有限法的數值模擬成為（wéi）解決這些複（fù）雜問題的利器，很多學者及（jí）技術人員，對閥門單個零部件進行（háng）了有限元計算和結（jié）構分（fèn）析。

    我們以閘閥為對象，考慮（lǜ）部件之間（jiān）的接觸作（zuò）用，建立起（qǐ）閥體、座圈與閘板一體化的三（sān）維非線性有限元模型，同時獲得閥體、座圈與（yǔ）閘板各部件的應力與（yǔ）變（biàn）形計算結果，以及能綜合評（píng）價密封性能的座圈接觸應力、座圈與閘板的間隙值等重要（yào）數據，據此分析各部件結構（gòu）的合理性並提出結構優化思路。

    二、閘（zhá）閥結（jié）構計算分析

    1.閘閥結構

    由於本（běn）分析主要考察閥體、座圈與閘板等（děng）零部件的力（lì）學（xué）性能和密封（fēng）性能，因此在三維建模時，忽（hū）略其他（tā）不考慮且對分析結果影響甚微的部件，通過三維建模軟件SolidWorks建立如圖1所示的三維幾（jǐ）何模（mó）型。

圖1 閘（zhá）閥三維幾何模型

    閥體使用純鈦（tài）材料，其泊鬆（sōng）比0.35，彈性模量為1.08×105MPa，約為鋼的（de）1/2，剛性差，易變形，屈服強度僅275MPa。閥門的關閉通過座圈與閘板之間緊緊擠壓在一起，接觸麵（miàn）形成大小適宜的壓應力，以阻止介質的泄漏。

    2.有限元計算模型

    由於幾何及載荷的對稱性，取1/4模型進行有限元建模。利用（yòng）強大的前（qián）處理軟件HyperMesh建（jiàn）立（lì）三維有限元模型，模（mó）型采用（yòng）SOLID95實體（tǐ）單元和TARGE170、CONTA174接觸單元，為了提高計算精度（dù），手工控製（zhì）進行全六麵體網格劃分，共（gòng）82456個單元，176324個節點。模型各部件之間的聯（lián）係通過MPC約束，建立接觸對的方法進行處理。建立（lì）的有限元模（mó）型及兩（liǎng）個接觸對（duì）單元（yuán）如（rú）圖2、圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 接觸（chù）對單元

    建模時，閥體與座圈、座圈和閘板之間建立（lì）麵－麵接（jiē）觸模擬部件之間的相（xiàng）互作用。由於座圈與閥體是通過焊接連接，之間（jiān）無相對滑動和穿（chuān）透，為了減小（xiǎo）係統方程求解的波（bō）前大小，采用MPC多點約束（shù）算法進行線性求（qiú）解。而座圈和閘板之間（jiān）存在（zài）有摩擦的滑動，接觸（chù）狀（zhuàng）態是急劇變化的，屬（shǔ）於狀態非線性問題，根據實際情況及結（jié）果精度需（xū）要，采用增廣拉格朗日算法非線性求解接觸麵的接觸狀（zhuàng）態、接（jiē）觸應力和接（jiē）觸間隙。

    本分析僅計（jì）算關閉工況，在進出口法蘭端麵進（jìn）行全（quán）約束，中法蘭端麵進行Z軸向約束，同時施加對稱（chēng）約束（shù），在閥體、座圈和閘板受壓表麵（miàn）施加2MPa的均布壓力，閘板推力2280N（1/4倍總推（tuī）力）通過處（chù）理為麵（miàn）力作用在閘板上。

    3.求解

    有限（xiàn）元計算模型利用ANSYS牛頓—拉普森方法求解，為了（le）增強求（qiú）解的收斂性和提高計算精度（dù），對自適應下降，線性搜索，自動載荷步進行必（bì）要的設置，同時（shí），為了防止（zhǐ）座圈與閘（zhá）板接（jiē）觸分離（lí），采（cǎi）取弧長方法迭代來幫助穩定（dìng）求解。

    4.計算（suàn）結果與（yǔ）分析

    計算在內壓、閘板推力作用下的閥體變形量、應力強度，座圈（quān）的接觸應力（比壓）及應力強度、軸（zhóu）向（xiàng）變形量（liàng），閘板的應力、軸向變形及垂向移動量，座圈與閘板的（de）間隙量等重要場量。從而考察各部件的強度與剛度性能、密封性能以及扭矩是否合（hé）理。

    圖4、圖5分別為閥體（tǐ）的應力強度和變形雲圖，在內壓及閘板推（tuī）力（lì）作用下（xià），閥體的變形主（zhǔ）要是Y向（流道方向）的變形（xíng），這裏主要考量座圈位置處的變形（xíng）量（如圖5中方框指示區域），大變形達0.0148mm，如圖中所標示數值，這個數值（zhí）僅是對1/4閥體而言，對整個閥體而言，座圈位（wèi）置處Y向（即流道方向）的變形量（liàng）為0.0148mm的（de）兩倍（bèi），即0.0296mm，在可接受的範（fàn）圍內，但偏大。閥體的圓角過渡區域（yù）由於變形擠壓而引起以壓（yā）縮應力為主的合成應力，大應力強度值為52.4MPa，遠遠小於材料的屈服強度值（zhí）275MPa，而（ér）且對大部分區（qū）域來說，無論是總應力強度還是薄膜應力強度大（dà）大小於52.4MPa，因此（cǐ）有足夠的安全餘（yú）量，且有很大的結構優化減（jiǎn）重空間。