利用solidworks软件构建球阀三维模型, 再导入ANSYS Workbench中进行仿真分析。球阀主要由上阀座、球体和下阀座组成, 当球阀关闭后, 静压力作用在上阀座和球体的上表面。本次仿真采用ANSYS Workbench中的Mesh模块进行网格划分, 选择全局网格控制和三角形单元划分网格, 这可以较好地适应复杂的几何形状, 便于进行网格划分, 且能够较好地逼近边界形状, 使得在处理复杂问题时更加灵活。网格平均表面积为2 210.0 mm², 共划分了31 048个节点, 15 414个网格, 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 球阀组成及网格划分Fig.2 Ball valve composition and meshing

保压取样球阀的材料选择主要考虑以下3个因素: ①在保压过程中, 上阀座和球体都要受到保压压力的作用, 试制材料要有足够大的屈服强度; ②在球阀翻转过程中, 球体与阀座之间的接触面上可能黏附有固体颗粒, 破坏密封面, 因此球阀材料要有一定的硬度和耐磨性; ③部分材料价格比较高, 且加工难度大, 在满足使用工况的条件下, 还要考虑加工制造成本。在查阅相关资料后, 筛选出316L、42CrMo和Inconel718三种材料进行对比。其性能参数见表1。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 三种材料的性能参数表 Tab.1 Performance parameters for the three materials 材料 密度/(g· cm-3) 杨氏模量/MPa 泊松比 屈服强度/MPa 316L 7.98 2.0× 105 0.30 252 42CrMo 7.85 2.1× 105 0.28 930 Inconel718 8.22 2.0× 105 0.30 1 034

表1 三种材料的性能参数表 Tab.1 Performance parameters for the three materials

将上阀座与球体之间的接触设置为摩擦, 摩擦因数为0.1, 下阀座与球体之间的接触设置为绑定, 在上阀座端面、球体与上阀座接触的上表面分别施加静压力, 静压力值分别为15 MPa、20 MPa、25 MPa和30 MPa, 下阀座设置为固定支撑, 仿真时间为1 s, 对比3种材料球阀在不同静压力下最大变形和最大等效应力(图3), 优选出合适的球阀材料。从整体上看, 随着施加静压力的增大, 球阀的最大变形与最大等效应力也随之增大。其中316L球阀在15 MPa 静压力作用下, 最大等效应力为383.69 MPa, 已经超过其屈服强度252 MPa, 导致球阀发生塑性变形, 无法满足保压密封需求。而42CrMo和Inconel718两种球阀在30 MPa静压力作用下, 最大应力分别为768.41 MPa、774.44 MPa, 均小于其屈服强度, 最大变形分别为0.153 0 mm、0.161 4 mm, 属于弹性变形, 且变形幅度在球阀硬密封的变形许可范围内。

图3

Fig.3

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	图3 三种材料球阀在不同静压力作用下最大等效应力(左)、最大变形(右)曲线Fig.3 Maximum equivalent stress (left) and maximum deformation (right) curves for ball valves of three materials under different static pressures

图4是以42CrMo球阀为例研究不同静压力下其等效应力和变形分布情况。由于下阀座所受的应力和变形都较小, 为重点研究球体和上阀座的应力与变形情况, 将下阀座隐藏。当静压力逐渐由15 MPa 增加到30 MPa时, 球阀的最大等效应力与最大变形都在变大, 但云图的分布区域基本一样。球阀最大等效应力的位置集中在球体侧面的螺纹孔周边, 且在上阀座与球体接触区域的等效应力也较大; 球阀的最大变形出现在球体与上阀座接触区域, 沿水平轴向左看变形逐渐变小, 有明显的分层, 从最大变形区域向右看, 球体的变形要大于上阀座, 两部分的变形较均匀。

图4-1

Fig.4-1

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	图4-1 42CrMo球阀在不同静压力作用下等效应力、变形云图Fig.4-1 Equivalent stress and deformation cloud diagram of 42CrMo ball valve under different static pressures

图4-2

Fig.4-2

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	图4-2 42CrMo球阀在不同静压力作用下等效应力、变形云图Fig.4-2 Equivalent stress and deformation cloud diagram of 42CrMo ball valve under different static pressures

综合对比以上3种材料发现: 316L球阀在15 MPa 时已无法满足保压密封的工作要求, 42CrMo和Inconel718两种球阀在30 MPa静压力作用下其最大等效应力依然小于自身材料的屈服强度, 能够满足球阀的保压密封, 但从加工成本来看, Inconel718球阀要比42CrMo球阀高得多, 在满足性能要求的前提下, 应首选42CrMo材料。

(1)稳态热仿真分析。 初始温度设置为均匀温度, 最终温度应用到整个几何体, 其中最终温度与初始温度的温差设置为10 ℃, 设置完成后在稳态热求解模块中插入温度。

(2)静应力仿真分析。在稳态热仿真分析结果的前提条件下, 进行静应力分析, 从而达到热-应力耦合仿真分析。在上阀座端面, 球体与上阀座接触的上表面分别施加30 MPa静压力, 其他设置与静应力仿真设置一样。在求解中插入总变形与等效应力, 求解变形与应力云图。

以42CrMo球阀为例, 得出了不同温度下球阀的等效应力与变形云图(图6)。通过与图4对比可以发现, 不同温度下最大变形及最大等效应力位置与不同静压力下的位置一致。不同温度下最大变形和最大等效应力对比(图7)可以发现, 随着温度的升高, 保压球阀的最大变形逐渐增大。0 ℃时, 球阀最大变形为0.154 97 mm, 250 ℃时, 球阀最大变形为0.156 6 mm。从0 ℃到250 ℃温差极大, 但最大变形增长微乎其微, 仅增加了1.05%。随着温度升高, 最大等效应力整体也呈增加趋势, 但个别温度下最大等效应力出现了波动。50 ℃时, 球阀最大等效应力最小, 200 ℃时, 球阀最大等效应力最大, 分别为773.57 MPa、786.33 MPa, 两者相差12.76 MPa, 增长率为1.65%。分别对比0 ℃和50 ℃、200 ℃与250 ℃两组工况下的最大等效应力, 发现每组内的最大等效应力差别不大, 且均在可控范围之内, 说明在[0, 250] ℃范围内温度对球阀最大等效应力和最大变形影响较小。按照《GB/T 26147— 2010球阀球体技术条件》^[18]的要求, 其最大变形小于规范许可的范围。

图6-1

Fig.6-1

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	图6-1 42CrMo球阀在不同温度作用下等效应力、变形云图Fig.6-1 Equivalent force and deformation cloud diagram of 42CrMo ball valve under different temperatures

图6-2

Fig.6-2

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	图6-2 42CrMo球阀在不同温度作用下等效应力、变形云图Fig.6-2 Equivalent force and deformation cloud diagram of 42CrMo ball valve under different temperatures

图7

Fig.7

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	图7 不同温度下最大变形、最大等效应力对比Fig.7 Comparison of maximum deformation and maximum equivalent stress under different temperatures