[发明专利]一种输流管路系统中单座式调节阀涡激振动应力计算方法

权利要求书

1.一种输流管路系统中单座式调节阀涡激振动应力计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：获取单座式调节阀运行工况下控制参数；

根据系统控制条件获得单座式调节阀进口压力、出口压力、阀门开度运行控制参数；

步骤二：根据运行控制参数计算伺服驱动系统输出位移；

单座式调节阀伺服驱动系统为液压伺服系统，其中液压缸为一个四通阀控制的对称液压缸；设x_v、x_p分别为四通阀阀芯位移和液压缸活塞输出位移，m_t为活塞质量，B_p为活塞黏性阻尼系数，K_p和F_p分别为负载弹簧刚度和外负载力，则根据流量连续性和力平衡原理可得经拉普拉斯变换后的液压缸活塞输出位移x_p为：

其中K_ce、K_q分别为流量-压力系数和四通阀的流量增益，s为复变量，A_p为液压缸活塞面积，V_t为总压缩容积，β为伺服驱动系统内液体体积的弹性模量， 根据式(1)得到液压缸活塞输出位移x_p，该位移即为伺服驱动系统的输出位移；

步骤三：根据输出位移建立执行机构动力学方程；

单座式调节阀的执行机构为球头-阀杆结构，并通过球头与伺服驱动系统相连接；根据步骤二中得到的液压缸活塞输出位移量确定阀杆工作长度，并将球头-阀芯-阀杆结构简化为一个单自由度系统；设阀芯位移为x，则根据力平衡原理可得球头-阀杆结构的动力学方程为：

其中，m_v为阀芯质量，c为阻尼系数，E和A分别为阀杆的材料弹性模量和截面积，l为阀杆工作长度，S_v和p_v分别表示阀芯有效面积和作用在阀芯上的流体载荷；

步骤四：建立单座式调节阀流体动力学模型；

根据步骤二中得到的伺服驱动系统输出位移量确定阀芯初始位置，并结合阀芯具体结构建立单座式调节阀的流体动力学模型；所建立的单座式调节阀流体动力学模型包括调节阀进口、阀内流体区域、阀芯、壁面和调节阀出口五部分；调节阀工作过程中，管道内流体由调节阀进口进入阀内流体区域，并通过阀芯调节后流至调节阀出口；

步骤五：计算流体涡激载荷；

将步骤四中得到的单座式调节阀流体动力学模型导入软件Fluent，并将阀芯设置为可运动的刚体；计算过程中，首先通过Fluent计算t时刻阀芯上的网格微元面积S_vi和作用在该网格微元上的流体压力p_vi；然后，通过∑p_viS_vi近似计算阀芯流体涡激载荷∫p_vdS_v，并对得到的流体涡激载荷进行存储；之后，将计算得到的流体涡激载荷代入式(2)，同时根据式(2)计算得到时间步Δt后阀芯的运动速度为最后将得到的阀芯运动速度再代回到Fluent进行下一个时间步计算，如此循环直到计算完成；

步骤六：建立单座式调节阀执行机构有限元模型；

首先，根据阀杆实际结构和工作长度建立阀杆有限元模型，且阀杆上端为外螺纹；然后根据球头实际结构建立具有内螺纹的球头有限元模型，其中球头内螺纹与阀杆外螺纹相配合；最后，将球头通过螺纹连接的方式套接在阀杆模型上，得到单座式调节阀执行机构有限元模型；

步骤七：计算单座式调节阀执行机构涡激振动应力；

在球头和阀杆螺纹处设置接触对，并将步骤五获得的阀芯流体涡激载荷施加在阀杆底端；然后，通过结构瞬态仿真计算单座式调节阀执行机构涡激振动应力；

步骤八：判断涡激振动应力是否满足要求；若满足要求，将调节阀涡激振动应力结果输出；若不满足要求，返回步骤一。