閥門的強度、剛（gāng）度以及密封性能是閥門重要的技術性能指標。在設計時要求必（bì）須具有足夠（gòu）的強度和剛度，以保證長期使用而不發生破（pò）裂或產生變形；要求閥門各密封部位有合理的密封（fēng）比壓，以保證密封部件不損傷而又（yòu）能（néng）有良好的緊密度（dù），以阻止介質泄漏。而基於經典力學理論的常規設計計算方法由於其固有的局限性，對（duì）於複雜幾何結構（gòu）、多載荷作用下的計算是無能為力的，即使對於受簡單邊（biān）界條件的結構，也會因為結構較複雜使得計算不準（zhǔn）確，甚至與實（shí）際相差甚遠。因此，基於有限（xiàn）法的數值模擬（nǐ）成為解決這些複雜問題的利（lì）器，很多（duō）學者及技術人（rén）員（yuán），對閥門單個（gè）零部件進行了有（yǒu）限元計算和結構分析。

    我們以閘閥為對象，考慮部件之（zhī）間的接觸作（zuò）用，建立起閥（fá）體、座圈與閘板一體化的三維非線性有限元模型（xíng），同時（shí）獲（huò）得閥體、座圈與閘板各部件的應（yīng）力（lì）與（yǔ）變形計算結果，以（yǐ）及能綜合評價密封性能的座圈接觸（chù）應力、座圈與閘板的間隙值等重要數據，據此（cǐ）分析各部件結構的（de）合理性並提出結構優化思路。

    二、閘閥結構計算分析

    1.閘閥結構

    由於本分析（xī）主要考察閥體、座圈與閘板等零部件的力學性（xìng）能和（hé）密封性能，因此在三維建模時，忽略其他不考慮且（qiě）對分析結果影響甚微（wēi）的部件，通（tōng）過三維建模軟件SolidWorks建立如圖1所示的三維幾何（hé）模型。

圖1 閘閥三維幾何模型

    閥體使用純鈦材料，其泊鬆比0.35，彈性模量為1.08×105MPa，約為鋼的1/2，剛性差，易變形，屈服強（qiáng）度僅275MPa。閥門的關閉通過座圈與閘板之間緊緊（jǐn）擠壓在一起，接觸麵形成大小適宜的壓應力，以阻止（zhǐ）介質的泄（xiè）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（jiàn）模（mó）。利用強大的前處理軟件HyperMesh建立三維有限（xiàn）元（yuán）模型，模型采用（yòng）SOLID95實體單元和TARGE170、CONTA174接觸單元，為了提高計（jì）算精（jīng）度，手工控製進（jìn）行全六麵體網格劃分，共82456個單元，176324個節點。模型各部件之間的聯係（xì）通過MPC約束，建立接觸對的方法進行處理。建立的有限元模型及兩個接觸（chù）對單（dān）元如圖2、圖3所（suǒ）示。

圖2 有限元模型

圖（tú）3 接觸對單元

    建模時，閥體與座圈、座圈和閘板之間（jiān）建立麵－麵接（jiē）觸模擬部件之間的相互作（zuò）用。由（yóu）於座（zuò）圈與閥體是通過焊（hàn）接連接，之間無相對滑動（dòng）和穿透，為了減小係統方程（chéng）求（qiú）解的波前大小，采用（yòng）MPC多點約束算法進行線性（xìng）求解。而座圈和閘板之間存在有（yǒu）摩擦的滑動，接觸（chù）狀態是急劇變化的，屬於（yú）狀態非線性問題，根據（jù）實際情況及結果精度需要，采用增廣拉格朗日算法非線性求解接觸麵的接觸狀態、接觸應力和接觸間隙。

    本分析僅計算關閉工況，在進出口法蘭端麵進行全約束，中法蘭端麵進行Z軸向約束，同時施加對稱約束，在閥體、座圈（quān）和閘（zhá）板受壓表麵施加（jiā）2MPa的均布壓力，閘板推力2280N（1/4倍總推力）通過處理為麵力作用在閘板上。

    3.求解

    有（yǒu）限元計算模（mó）型利用ANSYS牛頓—拉普森方法求解，為了增強求（qiú）解的收斂性和提高計算精度，對自適應下降，線性（xìng）搜索，自動載荷步進行必（bì）要（yào）的設（shè）置，同時，為了防止座圈與閘板接觸分離，采取弧長方法迭代來幫助穩定求解。

    4.計算（suàn）結果與分析

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

    圖（tú）4、圖5分別為閥體的應力（lì）強度（dù）和變形雲圖，在內壓及閘板推力（lì）作用下，閥體的變形主要是Y向（流道方向（xiàng））的變形，這裏主（zhǔ）要考量（liàng）座圈位置處的（de）變（biàn）形量（如圖5中方框指示區域），大變（biàn）形達0.0148mm，如圖中所標示數值，這個數值僅是對1/4閥體而言，對整個（gè）閥體而言，座圈位置處Y向（即流道方向）的（de）變形量為0.0148mm的兩倍，即0.0296mm，在可（kě）接受（shòu）的範圍內，但偏大（dà）。閥體的（de）圓角過渡區域由於變形擠（jǐ）壓而引（yǐn）起以壓縮應力為（wéi）主的合成應力，大應力強度值（zhí）為52.4MPa，遠遠小於材料的（de）屈服強度值275MPa，而且對大部分區域來說，無論（lùn）是總應力強度還是薄膜應力強度大大小於52.4MPa，因此有足夠的安全餘量，且有很大的結構優化減重空間。