基于Abaqus的薄膜阀壳体强度分析

甘启义， 曾尧， 孙宇恒

（1.成都高新技术创业服务中心，成都 610041；2.西华大学，成都 610039）

0 引言

薄膜阀是自动调节系统不可缺少的组成部分，薄膜阀是通过接受来自调节器的输出信号来改变阀节介质流量，从而完成调节功能。它的性能和动作完成的好坏直接影响调节的质量和效果，是自动调节系统中的一个重要环节。因此，验证该阀门在一定工作环境下是否能够正常工作具有重要意义。

薄膜阀在使用中，壳体需要承担一定的工作压力，如果其上下端盖材料强度不够，可能导致变形甚至发生泄漏，进而造成阀门失效，所以分析其壳体结构的承载能力有着重要的意义。随着计算机技术的发展，薄壁壳体结构的工程强度校核分析常采用有限元分析方法。本文针对某管路薄膜阀建立了壳体的三维模型，运用Abaqus有限元分析软件进行强度分析，通过分析结果判定其是否满足设计要求[1]。

1 设计需求及材料特性

薄膜阀主要由上端盖和下端盖通过M6螺栓连接成一个整体，其结构模型如图1所示。

图1 薄膜阀壳体结构模型

薄膜阀体设计工作压力是1.5 MPa，在该工作压力下壳体本身强度应满足工作压强，并且螺栓可以紧密连接上下壳体，即薄膜阀壳体缝隙最大位移量应小于该阀选用的A系列O形密封圈的截面直径公差为0.20 mm。

薄膜阀壳体材料为铝合金ADC12，螺栓材料为45钢，查阅资料可知其材料特性系数如表1所示。

表1 薄膜阀壳体和螺栓材料特性系数表

2 薄膜阀壳体有限元模型的建立

2.1 有限元建模

分析阀门的强度需要考虑两个方面的要求，一是壳体本身的强度是否满足工作压强，二是螺栓连接上下壳体是否紧密。Abaqus 是一套功能强大的有限元分析软件，致力于解决高度非线性问题，能够满足薄膜阀强度分析的功能需求。根据薄膜阀的设计尺寸、结构在SolidWorks中构建模型并导入Abaqus。

在Abaqus中采用四面体单元（C3D4）对整个壳体进行网格划分，为提高计算精度，网格数量经过精细化处理[2]。这种情况下，选取整个壳体进行分析。薄膜阀长宽高尺寸分别为240 mm×210 mm×230 mm，共计生成了364 238个节点与1 788 096个单元，建立的有限元网格模型如图2所示。

图2 壳体有限元网格模型

2.2 载荷及边界条件设置

根据薄膜阀实际使用工况，下端盖法兰盘底部施加固定约束，即限制模型六个方向的自由度，并且在整个壳体内部均匀施加1.5 MPa压力。

本文不关注螺栓上螺纹的实际特征，螺纹处应力不是分析重点。为简化模型，仅在Abaqus的接触定义中设置跟螺栓有关联的参数，就可以模拟连接接触状况并得到工程上可以接受的结果，而无需对螺纹进行精确建模[3]。

按实际工况，对整组8个螺栓施加了如下绑定约束（Abaqus中为Tie）：螺栓与下壳体螺孔之间采用面与面绑定约束，螺帽与上壳体表面之间采用接触约束。同时在螺杆中部建立预紧面，在预紧面上通过参数设定来模拟紧固连接的行为。

3 有限元分析结果及讨论分析

定义边界条件及载荷后，即可对模型进行计算，求得在整个壳体内部均匀施加1.5 MPa压力工况下薄膜阀的受力及屈服情况。

壳体材料变形情况如图3所示，由于薄膜阀结构的不对称性使得薄膜阀的变形并不均匀，进而使薄膜阀壳体不同位置的缝隙具有不同位移量。

图3 壳体材料变形图

安全系数取1.5，则许用应力为113.3 MPa。从图4薄膜阀应力分布中可以看出，最大应力区域出现在螺栓连接的法兰处199.9 MPa，大于许用应力范围。

图4 壳体的应力分布图

由于让载荷和接触关系的变化逐步出现在不同的分析步中，可减少求解时迭代的次数进而缩短计算时间。因此螺栓预紧力分三个载荷步施加：第一阶段100 N，第二阶段1000 N，第三阶段5000 N。螺栓最大轴向力2725 N，M6螺栓的有效面积为28.27 mm2，计算得到图5所示螺栓应力分布，图中最大螺栓应力为96.39 MPa，小于表1中45钢材料的屈服强度240 MPa[4]，因此螺栓的强度满足要求。

泄漏是管道及密封装置常见的现象。由于机械加工原因，当存在压力差时，介质（如液体、气体、固体等）从有限空间内部通过接触处的微小间隙流到外部，或从外部进入有限空间内部。

泄漏所发生的部位相当广泛，有密封装置本身（垫片）的泄漏、设备本体（壳体、管壁等）的泄漏及关闭件（阀瓣、闸板、旋塞等）的泄漏。

本文讨论的泄漏为直接包容密封腔的壳体与密封腔体连接并托撑静止环组件的密封端盖相互贴合不紧密，无相对运动的密封副密封端面之间的交界面由于壳体本身材料强度不够所造成的阀体泄漏。该壳体在设计压力下产生的缝隙分布如图6所示。

图6 密封界面缝隙分布图

薄膜阀体在设计工况下，由于压力的作用，壳体屈服变形会造成法兰与密封面之间的泄漏。根据Abaqus的计算结果提取出变形后的长边、短边缝隙值并导入Origin软件绘制出密封界面不同位置缝隙值如图7所示。宽边缝隙最大值为0.1548 mm，满足A系列O形密封圈的要求。长边的缝隙值由0.1104 mm扩大至0.2258 mm后，已经超过A系列O形密封圈极限偏差12.9%，不满足A系列O 形密封圈 的 要求，进而使该薄膜阀的结构设计无法满足其对密封性能的需求。

图7 密封界面缝隙值

4 结论

1）如图3所示，薄膜阀壳体在1.5 MPa工作压力，实际模型已经产生塑性变形[5]。法兰处的应力最大为199 MPa，该值超过ADC12铝合金材料的屈服强度170 MPa，说明壳体的强度不够。

2）如图5所示，螺钉拧紧装配后，最大轴向应力为96.39 MPa，小于表1中45钢材料的抗拉应力，能有效地固定上下端盖，并且满足美国石油学会标准API 6A标准规定螺栓设计应力SA≤0.83Sy最小屈服应力的要求[6]，这说明螺栓的强度满足要求。

图5 螺栓应力分布图

3）如图6所示，密封界面最大缝隙值为0.2258 mm，薄膜阀壳体缝隙最大位移量应小于A系列O形圈截面直径公差0.20 mm[7]，说明壳体结构设计不满足密封性能设计要求。