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全封閉式眼鏡閥閥體的有限元分析

發布于:2021-12-14 19:39
有限元分析

       眼鏡閥主要用于冶金化工能源及市政等系統的煤氣管道上,是一種理想的氣體隔斷閥,它作為一種能夠完全切斷的管道設備,是高爐煤氣管道中的關鍵設備之一。眼鏡閥是一種常開閥門,僅在高爐休風時才關閉。工作介質為高爐荒煤氣和混合煤氣,工作溫度50~280℃,煤氣壓力0.01~0.28MPa,密封結構通常采用水冷保護、軟密封O型圈;采用清掃裝置清除密封的粘結的灰塵和塵垢。所實現的功能是在高爐休風期間,對管道中的各種設備進行檢修、更換時起切斷作用。閥的性能直接影響到管路系統及維修操作人員的安全,在設計制造驗收過程中要求相當嚴格,必須密封可靠,無任何泄漏。因此,應該有一個合理的設計結構,保證其性能。隨著計算機技術的發展,采用有限元技術的三維設計、分析方法已經成熟,并提供了一種簡單可行的設計、計算強度的方法。本文以DN2020全封閉式眼鏡閥的主閥體為例,應用三維有限元分析軟件進行應力分析。
       1)設計參數:
       工作溫度≤280℃;
       設計壓力≤0.2MPa;
       閥體材料:普通碳鋼;
       材料彈性模量:2.1e+5MPa
       抗剪模量:7.9e+4MPa
       張力強度:3.9983e+2MPa
       屈服強度:2.2059e+2MPa
       2)三維模型的構建:
       DN2020全封閉式眼鏡閥的主閥體用Solidworks軟件通過拉伸、旋轉、抽殼等命令建立三維零件模型(具體建模過程略),三維建模如圖1所示。
       運用COSMOSWorks軟件進行應力分析;其材料屬性的設置和初始條件的設定依靠分析向導來實現。
       1)點選COSMOSWorks菜單,選擇算例-定義名稱-實體網格-靜態,確認后生成算例。
       2)依次設定實體的載荷和約束信息:于兩端圓法蘭。
       原封閉式眼鏡閥在介質壓力高的工況下易產生強度、剛度不足等現象,易有煤氣泄漏發生,過去由于計算方法的限制,只能根據一些簡單公式估算,或根據實際經驗,哪個部位強度不足就補哪,這種方法不能全面的指出閥門整體的薄弱環節,而且盲目的加筋使閥門重量增加太多。采用有限元技術的三維設計、分析方法可根據設計參數、工況條件,結合設計人員的設計經驗、計算等方法綜合進行結構設計對比,多次篩選、分析,最終找出一種合理的結構設計。本文將三維軟件的設計、分析引用到眼鏡閥的設計中,改變了原始的“設計-制造-更改設計-再制造”的多次循環的舊習慣,節省了材料、縮短了設計、制造周期,實現了由精準設計到制造的緊密結合。此分析過程運用COSMOSWorks軟件功能對材質的各項指標進行了精確的提取,模擬實際工況(溫度、壓力等)條件下的實際受力狀態,為此類閥門結構的設計、改進提供了參考,其建模、分析過程對不同型號、不同類型的閥門的設計、有限元分析具有借鑒作用。優化改進后的DN2020全封閉式眼鏡閥的主閥體,最小安全系數由原來的1.1提升到1.3,且重量比原來輕了600kg,減輕重量比重約占7%。此產品已應用在某鋼廠的煤氣系統中,使用效果良好。


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