基于Workbench的三通密封球阀热力耦合分析

刘汉钦

（苏州圣科阀门有限公司，江苏苏州215156）

0 引言

球阀在使用过程中会受到压力的作用，如果工作环境较为严苛，可能发生由于压力过大而引起的球阀爆炸和泄漏等问题，将会影响实际生产周期，严重的会造成人员伤害。因此，为了避免球阀发生爆炸和泄漏，对球阀的强度和密封性进行安全验证是十分必要的。

本文根据AutoCAD二维图纸，通过SolidWorks建立了阀体的三维模型，导入ANSYS Workbench中进行热力耦合分析，以期通过仿真结果验证三通球阀的安全性和可靠性。

1 阀体三维模型的建立

三通球阀主要由阀体、连接体、球体、阀杆、密封阀座等部分组成，本文主要针对阀体的结构进行有限元仿真分析，因此根据二维设计图纸，建立了三通阀体的立体模型。阀体的规格为φ434×317.5，材质选用A105。构建三维数模，如图1所示。

图1 三通阀体三维图

2 三通阀体有限元仿真分析

2.1 ANSYS Workbench软件介绍

ANSYS公司是一家提供成熟的CAE产品的现代化企业，其推出的ANSYS经典版本在国内外引起了很大的反响，为工程技术的设计和优化提供了非常有效、便捷的工具。为了能更好地满足社会发展的需要，ANSYS决定将原有的CAE产品进行拆散并形成组件，使ANSYS成为不仅可以满足自身分析需求，又同时具有产品研发功能的仿真体系。

2.2 三通阀体网格的划分

三维模型网格的有效划分是进行ANSYS仿真分析的前提，网格质量的好坏会直接对仿真的结果造成影响。本文主要采用Workbench自带的Mesh对阀体的三维模型进行网格划分。网格划分的类型为六面体网格，其优点是网格划分简单，具有准确的计算精度以及较快的计算速度，划分后的网格节点数为94 180，网格单元数为54 931。

2.3 定义边界条件和载荷条件

本文设计的阀体选用材料是A105，与20钢类似，A105的材料属性如表1所示。球阀的操作温度为60℃，设计温度为99℃，操作压力为常压，设计压力为0.18 MPa，阀门口径为DN150。假设在较为稳定的环境下工作，将阀体第一类边界条件的表面温度设置为30℃，对流换热是三通球阀阀体的主要散热方式，换热系数为h=10 W/（m2·K），将固定约束设置在阀体的螺栓连接处，阀体内侧设置5.2 MPa的流质压力。

表1 A105材料属性

2.4 有限元分析求解计算

当上述边界条件设置完成以后，首先求解-30℃的环境温度下阀体应力、应变情况。

通过观察图2可以发现，在环境温度为-30℃的使用工况下，阀体的最大应力为49 MPa，最大应力出现在阀体的上部以及阀体内部的边界处。在阀体结构中间区域几乎不存在应力集中的现象。因此，在阀体的设计过程中需要着重考虑边界处应力集中的现象，避免阀体发生开裂和爆炸。

图2 -30℃阀体总应力

通过观察图3可以发现，在环境温度为-30℃的使用工况下，阀体的最大变形为0.014 3 mm，最大应变出现在阀体的中间位置，此时应变较小。但是在阀体设计的过程中，也需要对中间位置做出进一步优化，防止由于阀体的变形导致球阀的密封性变差。

为了对比温度对阀体应力和应变的影响，在求解完成-30℃的环境温度下阀体应力、应变情况后，继续进行30℃的环境温度下阀体应力、应变的求解计算。

图3 -30℃阀体总变形

通过观察图4可以发现，在环境温度为30℃的使用工况下，阀体的最大应力为41 MPa，最大应力出现在阀体的上部以及阀体内部的边界处。在阀体结构中间区域几乎不存在应力集中的现象。相比较于图2可以发现，此时的应力变小，可以看出温度对阀体确实存在一定的影响作用。

图4 30℃阀体总应力

通过观察图5可以发现，在环境温度为30℃的使用工况下，阀体的最大变形为0.011 mm，最大应变出现在阀体的中间位置，相比较于图3可以发现，此时的变形变小，可以看出温度对变形也确实存在一定的影响作用。

图5 30℃阀体总变形

为了更好地验证温度的影响作用，最后进行60℃的环境温度下阀体应力、应变的求解计算。

通过观察图6可以发现，在环境温度为60℃的使用工况下，阀体的最大应力为57 MPa，最大应力出现在阀体的上部以及阀体内部的边界处。相比较于图2、4可以发现，温度升高后，阀体的应力集中现象开始变得更加明显。

通过观察图7可以发现，在环境温度为60℃的使用工况下，阀体的最大变形为0.016 mm，最大应变同样出现在阀体的中间位置，相比较于图3、5可以发现，温度升高后，阀体的变形现象也开始变得更加明显。

图6 60℃阀体总应力

图7 60℃阀体总变形

3 结语

综上所述，环境温度过高或过低都将影响阀体的应力和应变，因此在阀体的设计过程中要充分考虑温度的影响，防止发生球阀故障。在查阅相关国家标准等资料后，可以发现本文所设计的三通阀体尽管存在一定的应力、应变现象，但是仍然满足使用需求，因此认为阀体的结构设计合理。