[发明专利]一种阀体优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阀体优化设计方法，属于阀门计算及优化设计领域。

背景技术

阀体是阀门最重要的零部件之一，它主要功能是工作介质的流通通道和承压部件。作为阀门的外壳及主要耗材零件，其重量占整个阀门的70％，其设计水平对阀门制造成本、工作性能和使用寿命有决定性的影响。长期以来，阀体设计采用常规设计方法，通常是先根据客户给定的阀门设计参数，然后利用现有的大量经验数据及经验公式来进行阀体壁厚的估算与设计，在设计完成后再根据样机测试的试验结果对产品进行适当的修正。这种常规设计方法虽然简便，但却存在诸多缺陷。

常规的阀体设计公式与标准，是以弹性失效准则为基础，对阀体大幅度简化为圆筒形容器，然后以壳体的薄膜理论推导出较为简单的适合于工程应用的计算公式，计算设计压力作用下的最大应力，将其限制在材料许用应力值以内，从而确定阀体的壁厚。但实际上，阀体结构中的应力分布大多数是不均匀的，随着试验技术与计算技术的发展，对于结构几何不连续处按精确的弹性理论或有限元法所得到的应力集中系数往往可达到3-10。此时，若按最大应力点进入塑性就算失效就显得过于保守了。像这种按传统的半经验、半理论的常规设计方法，是以阀体总体的或基本的应力为考核对象，简单的采用内压容器弹性失效的理论公式进行设计，为了确保设备安全采用了较大的设计安全系数，这使得设计过于保守，导致阀体的体积和重量偏大，成本过高。其次，阀体的设计除了要满足一定的强度要求外，还要满足一定的刚度要求，传统的设计方法很难算出某些关键部位的变形量，容易造成质量隐患。

虽然随着计算机技术及数值模拟技术的发展，有限元方法开始应用到阀门的设计计算中，但在对计算结果进行评判时，通过对不同类型的应力与阀体材料许用应力值进行对比，以获得阀门安全性的评价结果。然而，目前对阀门的设计仅仅停留在对安全性的评价上，忽略了对设计水平或材料潜力是否充分发方面的评价，使得所设计的阀体结构仍有较大的减重空间，此设计并非是性能和成本最优化的方案。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的阀门设计方法无法充分发挥材料性能的问题，从而提出一种能够充分发挥材料性能的，既符合设计要求又降低了阀门生产成本的阀体优化设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种阀体优化设计方法，包括以下步骤：

S1：建立阀体的三维几何模型；

S2：根据阀体的三维几何模型对阀体建立有限元计算模型，根据有限元计算模型计算在内压作用下的应力分布；

S3：根据应力分布获取高应力区和危险截面，对危险截面进行应力线性化分析，得到应力线性化结果，所述应力线性化结果包括一次薄膜应力和一次弯曲应力和二次应力；

S4：根据得到的所述应力线性化结果进行阀门安全性评价；

S5：获取安全性评价结果，若安全性评价结果为安全时，则根据得到的所述应力线性化结果进行阀门的经济性评价；

S6：获取经济性评价结果，若所述经济性评价结果为经济时，则认为此时的阀体结构为最优设计方案；

若经济性评价结果为不经济时，则进行优化设计，并重复S1-S5步骤。

本发明的阀体优化设计方法，若S4步骤中阀门安全性评价为不安全时，则进行优化设计，并重复S1-S4步骤。

本发明的阀体优化设计方法，在所述S5步骤中，进行优化设计的方法为，依据阀体结构的连续性，将阀体划分为若干个阀体区域；若高应力区位于某个阀体区域内部，则增大高应力区所在阀体区域的材料的厚度；若高应力区位于若干阀体区域的交界处，则同时增大高应力区相邻的多个阀体区域的材料的厚度。

本发明的阀体优化设计方法，所述根据得到的所述应力线性化结果进行阀门安全性评价的步骤中，同时满足以下条件时安全性评价结果为安全：

(1)σ_m＜1.0S，或者σ_L＜1.5S；

(2)σ_m+σ_b＜1.5S，或者σ_L+σ_b＜1.5S；

(3)σ_m+σ_b+Q＜3.0S，或者σ_L+σ_b+Q＜3.0S；

其中，σ_m为一次总体薄膜应力，σ_L为一次局部薄膜应力，σ_b为一次弯曲应力，Q为二次应力，S为材料许用应力值。

本发明的阀体优化设计方法，在S5步骤中，进行经济性评价的步骤为：