球閥畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、<p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1球閥發(fā)展歷史1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容

2、、方法和目標(biāo)2</p><p>　　2 球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核3</p><p>　　2.1球閥的構(gòu)成、作用原理、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)分類3</p><p>　　2.1.1球閥的構(gòu)成3</p><p>　　2.1.2球閥的作用原理3</p><p>　　2.1.3球閥的特點(diǎn)3</p><p>　

3、　2.1.4球閥的結(jié)構(gòu)類型3</p><p>　　2.2球體的直徑確定4</p><p>　　2.3球體與閥座之間密封比壓的確定4</p><p>　　2.3.1必需比壓的計(jì)算4</p><p>　　2.3.2需用比壓選擇5</p><p>　　2.3.3設(shè)計(jì)比壓的計(jì)算5</p><p&

4、gt;　　2.4球閥密封力的計(jì)算7</p><p>　　2.5球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)算8</p><p>　　2.6 閥體設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.6.1閥體結(jié)構(gòu)形式、連接形式、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和材料的確定9</p><p>　　2.6.2閥體壁厚的確定10</p><p>　　2.6.3 閥體法蘭設(shè)計(jì)10</p

5、><p>　　2.6.4 閥體法蘭校核11</p><p>　　2.7 閥桿的設(shè)計(jì)和校核14</p><p>　　2.7.1 閥桿材料選擇14</p><p>　　2.7.2 閥桿填料的選擇、填料摩擦力及摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算15</p><p>　　2.7.3 閥桿強(qiáng)度的計(jì)算16</p><p>

6、;　　2.8 閥桿連接件的強(qiáng)度計(jì)算18</p><p>　　2.9 球體的設(shè)計(jì)和校核20</p><p>　　2.10 球閥的閥座設(shè)計(jì)21</p><p>　　2.11 省力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核22</p><p>　　2.11.1蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)23</p><p>　　2.11.2蝸輪蝸桿的強(qiáng)度校核23<

7、;/p><p>　　3 ANSYS軟件分析24</p><p>　　3.1ANSYS軟件的應(yīng)用和介紹24</p><p>　　3.2 模型的導(dǎo)入和分析26</p><p>　　3.2.1 模型的簡(jiǎn)化、導(dǎo)入和分析準(zhǔn)備26</p><p>　　3.2.2 模型的材料定義27</p><p>　

8、　3.2.3 模型的加載和邊界條件的確定28</p><p>　　3.2.4 模型的加載后分析結(jié)果29</p><p>　　3.2.5 ANSYS結(jié)果分析33</p><p><b>　　結(jié) 論34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><

9、p><b>　　致謝36</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文根據(jù)已知的球閥設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)DN為250mm，設(shè)計(jì)壓力為2Mpa的球閥進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括了材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核等，在結(jié)構(gòu)和材料方面在滿足強(qiáng)度的前提下，盡量降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以更小的消耗、更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)成品的設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)對(duì)球閥的主要

10、部件進(jìn)行應(yīng)力的軟件分析。省力機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)任務(wù)的一部分，我們需要根據(jù)球閥的特點(diǎn)來(lái)選擇合適的機(jī)構(gòu)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)以已給的設(shè)計(jì)條件為著眼點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)國(guó)家閥門標(biāo)準(zhǔn)為中心，借助soliderworks三維軟件、AUTOCAD二維制圖軟件和ANSYS分析軟件根據(jù)球閥設(shè)計(jì)手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)框架的結(jié)構(gòu)形式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了三維建模、二維制圖和應(yīng)力分析，最終確定球閥的結(jié)構(gòu)形式和省力開(kāi)啟方式，這對(duì)以后設(shè)計(jì)與研究同類球閥具有一定的參考

11、價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、應(yīng)力分析、省力機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This article according to the known ball valve design experience to DN is 250mm, the design pressu

12、re is the 2Mpa ball valve carries on the design, mainly has included the choice of material, the structural design and the intensity examination and so on。In the structure and material aspect in satisfying under the inte

13、nsity premise, reduce the structure as far as possible the complexity, by a smaller consumption, a simpler structure realizes the end product design optimization, simultaneously carr</p><p>　　This design tak

14、es the given design conditions as the objective point, simultaneously according to the national valve standard is the center, with the aid of the soliderworks three dimensional software and AUTOCAD two-dimensional charti

15、ng software and ANSYS analysis software has carried on the three dimensional modelling, the two-dimensional charting and stress analysis according to the ball valve design handbook's standard frame's structural s

16、tyle to the product, finally determined that ball val</p><p>　　Key words：Structural design, intensity examination, stress analysis and reducing effort organization</p><p><b>　　1 緒論</b&g

17、t;</p><p><b>　　1.1球閥發(fā)展歷史</b></p><p>　　球閥是上世紀(jì)50年代問(wèn)世的一種新型閥門。在短短的30多年里，球閥已發(fā)展成為一種主要的閥類，它在航空航天、石油化工、長(zhǎng)輸管線、輕工食品、建筑等許多方面都得到了廣泛的應(yīng)用。早在19世紀(jì)80年代美國(guó)就開(kāi)始設(shè)計(jì)球閥，但是當(dāng)時(shí)缺乏適當(dāng)?shù)拿芊獠牧?，限制了求法的發(fā)展，使它未能成為一種正式工業(yè)產(chǎn)品。直到

18、上世紀(jì)50年代，聚四氟乙烯等彈性密封材料的出現(xiàn)才使球閥的產(chǎn)生和發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)；同時(shí)由于機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，使球體加工技術(shù)提高，能夠?qū)崿F(xiàn)球體所要求的尺寸精度與表面粗糙度。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　球閥是上世紀(jì)50年代問(wèn)世的一種新型閥門。在短短的30多年里，球閥已發(fā)展成為一種主要的閥類，它在航空航天、石油化工、長(zhǎng)輸管線、輕工食品、建筑等許多方面都得到了廣泛的應(yīng)

19、用。目前球閥最大公稱通徑已達(dá)3050mm，這是美國(guó)EscherWyss公司為田納西州的一個(gè)泵站所提供的四臺(tái)球閥，用作透平機(jī)出口的切斷閥，設(shè)計(jì)壓力為4.8Mpa。球閥的最高工作壓力已達(dá)72Mpa，其相應(yīng)溫度高達(dá)1000℃。</p><p>　　球閥不僅在一般工業(yè)管道上得到了廣泛應(yīng)用，而且在核工業(yè)、宇航工業(yè)的液氧與液輕輸送管線上普遍采用。</p><p>　　全塑料球閥近年來(lái)發(fā)展較快。其特點(diǎn)是

20、：耐腐蝕、重量輕、成本低。西德一家閥門公司已制造通徑為6“的塑料球閥；美國(guó)Hill Maccanng公司制成一種含氟材料球閥，商業(yè)名稱為Kynar，據(jù)稱有高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐溫與耐腐蝕性能，使用溫度為《250℃。</p><p>　　同時(shí)隨著時(shí)代的發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)以后，生產(chǎn)和制造技術(shù)有了顯著優(yōu)化提高，同時(shí)，技術(shù)人員大都通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)和控制優(yōu)化，在很大程度上提高了設(shè)計(jì)速度和更新周期。</p&g

21、t;<p>　　目前，全球的控制閻市場(chǎng)如同大部分工業(yè)品一樣被三個(gè)經(jīng)濟(jì)體瓜分，分別是美</p><p>　　國(guó)為代表的北美經(jīng)濟(jì)體，以德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)為代表的歐盟地區(qū)，和以日本為代表</p><p><b>　　的亞太地區(qū)。</b></p><p>　　美國(guó)是全球最大的閥門供應(yīng)商，其閥門協(xié)會(huì)有超過(guò)110家企業(yè)，年產(chǎn)值超過(guò)40億美元。1

22、984年就在中國(guó)開(kāi)展業(yè)務(wù)的FIS}玎訊控制閥由于進(jìn)入中國(guó)較早，其產(chǎn)品已經(jīng)成為中國(guó)教科書的樣板。</p><p>　　德國(guó)在二戰(zhàn)之后迅速恢復(fù)經(jīng)濟(jì)，其產(chǎn)品通過(guò)優(yōu)良的質(zhì)量迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。德國(guó)閥門企業(yè)一般都屬于專業(yè)性很強(qiáng)的公司，在某一類產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)和制造方面都有自己的特色。</p><p>　　日本作為世界第二經(jīng)濟(jì)體，其閥類產(chǎn)品由于價(jià)格適中，質(zhì)量較好，迅速占領(lǐng)了中國(guó)中低端市場(chǎng)。</p>

23、;<p>　　目前我國(guó)關(guān)于球閥的生產(chǎn)企業(yè)大多規(guī)模小、科研能力弱，大多通過(guò)參考外國(guó)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其主要原因是技術(shù)投入資金不足，科研人員數(shù)量不足，所以在國(guó)內(nèi)很多的大型工程招標(biāo)中大多被外國(guó)閥門企業(yè)所壟斷。</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容、方法和目標(biāo)</p><p>　　球閥作為新型的閥門品種之一，關(guān)于球閥的設(shè)計(jì)方案十分稀少，本文的主要研究?jī)?nèi)容包括對(duì)球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。球

24、閥的設(shè)計(jì)要求保證合適的強(qiáng)度與剛度，從而保證球閥的壽命和穩(wěn)定性。本課題主要以DN為250mm，P為2Mpa的球閥，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核，以及關(guān)鍵零部件的分析，同時(shí)進(jìn)行三維建模。課題的研究?jī)?nèi)容和方法主要包括：</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)球閥結(jié)構(gòu)并進(jìn)行強(qiáng)度校核</p><p>　　通過(guò)設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)球閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括閥體、閥桿、閥芯以及省力機(jī)構(gòu)的選用與設(shè)計(jì)，并對(duì)其受力分析，然后再確定

25、材料后進(jìn)行強(qiáng)度校核。</p><p>　?。?）建立球閥的三維模型</p><p>　　通過(guò)soliderworks三維軟件對(duì)球閥零件進(jìn)行實(shí)體建模，并進(jìn)行裝配。</p><p>　　（3）ANSYS軟件分析</p><p>　　對(duì)球閥的三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略不受力的小零件，通過(guò)soliderworks和ANSYS的接口程序?qū)?shí)體模型導(dǎo)入A

26、NSYS中，生成實(shí)體模型，然后選擇單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并根據(jù)工作條件對(duì)球閥施加約束，從而建立球閥的有限元模型。</p><p>　　2 球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核</p><p>　　2.1球閥的構(gòu)成、作用原理、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)分類</p><p>　　2.1.1球閥的構(gòu)成</p><p>　　圖2-1 手動(dòng)浮動(dòng)球球閥結(jié)構(gòu)</p><p&

27、gt;　　1—閥體 2—閥座 3—球體 4—閥桿 5—手柄</p><p>　　球閥主要由閥體、球體、閥桿、閥芯、閥座和省力機(jī)構(gòu)等幾部分主要零件構(gòu)成。下面對(duì)上述幾個(gè)重要零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。圖2-1為球閥結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　2.1.2球閥的作用原理</p><p>　　球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體管道，即球閥通常為閉路閥。因此，球閥的作

28、用原理很簡(jiǎn)單：借助驅(qū)動(dòng)裝置的在閥桿端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使它旋轉(zhuǎn)90°，球體的通孔則與閥體通道中心線重合或者垂直，球閥便完成了全開(kāi)或全關(guān)的動(dòng)作。</p><p>　　2.1.3球閥的特點(diǎn)</p><p>　　球閥的主要特點(diǎn)如下：流體阻力小、開(kāi)關(guān)迅速、方便、密封性好、壽命長(zhǎng)、可靠性高，而且閥體內(nèi)通道平整光滑適于輸送粘性流體，漿液，以及固體顆粒。</p><

29、;p>　　2.1.4球閥的結(jié)構(gòu)類型</p><p>　　按球體和閥體的不同結(jié)構(gòu)形式，球閥可以分幾大類。</p><p>　　按球體的支撐方式分類</p><p>　　按球體的支撐方式，球閥可分為浮動(dòng)球球閥和固定球球閥兩大類。其中浮動(dòng)球閥的特點(diǎn)十分突出，主要有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、工作可靠。而固定球閥的轉(zhuǎn)矩小，閥座形變小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，適用于高壓、大通

30、徑場(chǎng)合。</p><p>　　按球體的安裝方式分類</p><p>　　按球體的安裝方式可分為頂裝式、底裝式、側(cè)裝式和斜裝式。本次球閥設(shè)計(jì)選用了側(cè)裝法蘭連接二分體式球閥，其特點(diǎn)是將閥體沿與閥門通道軸線相垂直的截面分為不對(duì)稱的左右兩半，球體從截分面孔道裝入，左、右兩半閥體用法蘭連接的球閥。</p><p>　　按球閥與管道的連接形式分類</p><

31、p>　　按球閥與管道的連接形式可分為法蘭連接球閥、內(nèi)螺紋和外螺紋連接球閥以及焊接連接球閥。其選用在閥體設(shè)計(jì)中有詳細(xì)說(shuō)明。</p><p>　　2.2球體的直徑確定</p><p>　　球體的直徑大小影響球閥結(jié)構(gòu)的緊湊性，應(yīng)此應(yīng)盡量縮小球體直徑。球體半徑一般按R=d計(jì)算。同時(shí)為保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后須按下式進(jìn)行校核：</p><p><

32、;b>　　（2-1）</b></p><p><b>　　必須滿足D＞，</b></p><p>　　式中為最小球體直徑（mm）；</p><p>　　—閥座外徑（mm）；</p><p>　　d—球體通道孔直徑（mm）；</p><p>　　D—球體實(shí)際直徑（mm）。</

33、p><p>　　由上面可知可取球體直徑D=380mm，mm。 </p><p>　　2.3球體與閥座之間密封比壓的確定</p><p>　　2.3.1必需比壓的計(jì)算</p><p>　　必需比壓是為保證密封，密封面單位面積上所必需的最小壓力，以表示。</p><p>　　由于流體壓力或附加外力的作用，在球體與閥座之間產(chǎn)生壓

34、緊力，于是</p><p>　　必需比壓式球閥設(shè)計(jì)中最基本的參數(shù)之一，它直接影響球閥的性能及結(jié)構(gòu)尺寸。下面是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的計(jì)算公式：</p><p>　?。?-2） </p><p>　　式中m—與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；</p><p>　　a，c—與密封面材料有關(guān)的系數(shù)；</p>

35、<p><b>　　P—流體工作壓力；</b></p><p>　　b—密封面在垂直于流體流動(dòng)方向上的投影寬度；</p><p><b>　　t—密封面寬度；</b></p><p>　　其中查表2-1可得m=1，a=1.8，b=0.9，P=2Mpa。b將在下面中計(jì)算得出。</p><p>

36、;<b>　　表 2-1</b></p><p>　　2.3.2需用比壓選擇</p><p>　　密封面單位面積上允許的最大壓力稱為需用比壓，以表示。本此設(shè)計(jì)球閥通過(guò)查詢《球閥設(shè)計(jì)與選用》密封面材料許用比壓表可知，選取尼龍=30Mpa。</p><p>　　2.3.3設(shè)計(jì)比壓的計(jì)算</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)確定的在密封

37、面單位面積上的壓力，稱為設(shè)計(jì)比壓，以q表示。選擇比壓比應(yīng)是密封可靠、壽命長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)緊湊。必須保證：</p><p>　?。紂＜ （2-3）設(shè)計(jì)比壓按圖2-2中的力的平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　式中 N——球體對(duì)閥座密封面的法向力(N)

38、；</p><p>　?。?-5） </p><p>　　S—閥座與球體杰出的球星環(huán)帶面積，S=2Πr（）</p><p>　　Q—作用于閥座密封面上的沿流體方向的合力；</p><p>　　—密封面法向與流道中心線的夾角。；</p><p>　　圖2-2 比壓計(jì)算圖</p><

39、;p>　　—球體中心線執(zhí)法作兩段面的距離（mm），</p><p><b>　　;；</b></p><p><b>　　—閥座內(nèi)徑；</b></p><p><b>　　—發(fā)作外徑；</b></p><p>　　—閥座平均直徑（mm），；</p><

40、p>　　R—球體半徑（mm）。</p><p><b>　　整理可得:</b></p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　由于球閥的密封力還未計(jì)算故需計(jì)算完，故在下節(jié)給出設(shè)計(jì)比壓的計(jì)算結(jié)果。</p><p>　　2.4球閥密封力的計(jì)算</p><p

41、>　　為簡(jiǎn)化計(jì)算，往往忽略預(yù)緊力,閥座滑動(dòng)摩擦力及流體靜壓力在密封面余隙中的作用力,這樣密封力僅等于流體靜壓力在閥座密封面上的作用力(N)，即</p><p>　　=110.25KN （2-7）</p><p>　　將上式代入式2-5可得</p><p>　?。?（2-8）<

42、;/p><p><b>　　可得q=8.8 </b></p><p>　　在球閥初步設(shè)計(jì)時(shí)，為了便于確定b，DN及P的關(guān)系，設(shè)，q=代入上式可得</p><p>　?。╩m） （2-9）</p><p>　　由需用比壓=30Mpa，DN=250mm，P=2Mpa代入

43、得：</p><p>　　b=2.54mm，代入式2-2可得顯然滿足</p><p><b>　?。紂＜</b></p><p>　　球閥密封力的精確計(jì)算還要計(jì)算預(yù)緊力,故可知；</p><p>　　Q=+ （2-10）</p><p>　　預(yù)緊

44、力計(jì)算公式如下：</p><p>　　（N） （2-11）</p><p>　　式中 — 預(yù)緊所需的最小比壓，(Mpa)；</p><p>　　、—閥座內(nèi)徑和外徑（mm）。</p><p>　　可得=2.5KN，故Q=112.75KN。</p><p>　　2.5球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)

45、算</p><p>　　由于本球閥為浮動(dòng)球閥故其轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　式中 —球體與閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　—閥桿與填料之間摩擦轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　—閥桿臺(tái)肩與止推墊間的摩擦轉(zhuǎn)矩。</p>

46、<p>　　M和的計(jì)算見(jiàn)2.7.2。</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　式中 F—球體與閥座之間的密封力，,（N）；</p><p>　　r—摩擦半徑，，球體摩擦半徑計(jì)算圖如圖2-3所示；</p><p>　　R—球體半徑（mm）；</p><p>

47、;　　—密封面對(duì)中心的斜角；</p><p>　　—球體與密封圈之間的摩擦系數(shù)，查表得。</p><p>　　圖2-3 球體摩擦半徑計(jì)算</p><p><b>　　則=（N*mm）</b></p><p><b>　　2.6 閥體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.6.1

48、閥體結(jié)構(gòu)形式、連接形式、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和材料的確定</p><p>　　1.首先確定閥體的結(jié)構(gòu)形式、連接形式和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，根據(jù)適用場(chǎng)合不同和通徑大小，常見(jiàn)閥體結(jié)構(gòu)有以下幾種：</p><p>　　（1）整體式閥體：DN<50mm</p><p>　?。?）二分體式：閥體有左右兩部分組成，通過(guò)螺栓將這兩部分連接成一體。</p><p>　?。?）

49、三分體式：閥體有三部分組成，這三部分是在閥座處沿著與通道向垂直的界面而分隔開(kāi)的，螺栓將這三部分連接成一體。</p><p>　　通過(guò)老師給的設(shè)計(jì)條件，閥體的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)當(dāng)選二分體式。</p><p>　　2.閥體與管道的連接形式主要有螺紋連接；法蘭連接；焊接連接等三種。</p><p>　　由結(jié)構(gòu)形式的確定中可知，閥體連接選擇法蘭連接。</p><

50、p>　　3.根據(jù)所給的公稱壓力和公稱通徑來(lái)確定其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度是指閥體通道終端垂直于閥門軸線的兩個(gè)平行平面之間的距離。由此根據(jù)已給條件可知結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為730mm，公差為±2mm。</p><p><b>　　4.閥體材料的選用</b></p><p>　　根據(jù)球閥的常用工況和材料成本總和考慮選用HT200作為閥體材料。</p><

51、p>　　2.6.2閥體壁厚的確定</p><p>　　球閥閥體常用整體鑄、鍛或者棒材加工而成。由于所給條件的工作壓力屬于中低壓，所以采用薄壁計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：</p><p>　?。╩m） (2-14) </p><p>　　(mm)

52、 (2-15)式中 D—球閥內(nèi)墻的最大直徑（mm）</p><p>　　Sb—考慮附加余量的壁厚（mm）</p><p>　　—按強(qiáng)度計(jì)算的壁厚（mm）</p><p>　　P—設(shè)計(jì)壓力（Mpa）</p><p>　　—材料許用拉應(yīng)力（Mpa）</p><p>　　C—附加余量（mm）</p>

53、<p>　　將D=430mm，P=2Mpa，=28Mpa故可得=21mm，由=21mm，可知C=1mm。故閥體壁厚為22mm。</p><p>　　2.6.3 閥體法蘭設(shè)計(jì)</p><p>　　1.法蘭螺栓設(shè)計(jì) 按以下兩種情況進(jìn)行：</p><p>　　（1）操作情況 由于流體靜壓力所產(chǎn)生的軸向力促使法蘭分開(kāi)，而法蘭螺栓必須克服此種端面

54、載荷，并且在墊片或接觸面上必須維持足夠的密緊力，以保證密封。此外，螺栓還承受球體與閥座密封圈之間的密封力作同。在操作情況下，螺栓承受的載荷為：</p><p><b>　　（2-16） </b></p><p>　　式中 —在操作情況下所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N）；</p><p>　　F—總的流體靜壓力（N）,； </p>

55、<p>　　—連接接觸面上總的壓緊載荷（N），;</p><p>　　—載荷作用位置出墊片的直徑（mm）；由閥體內(nèi)部尺寸可知450mm；</p><p>　　m—墊片有效密封寬度，差表可知m=0.；</p><p>　　P—設(shè)計(jì)壓力（Mpa）；</p><p>　　Q—球體與閥座密封圈之間的密封力（N），見(jiàn)2.4，。</p

56、><p>　　則將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入可得</p><p><b>　　KN. </b></p><p>　　(2)預(yù)緊螺栓情況 在安裝是須將螺栓擰緊而產(chǎn)生初始載荷，使法蘭面壓緊墊片，此外，螺栓還承受球體與密封圈之間的預(yù)緊力。在預(yù)緊螺栓時(shí)螺栓承受的載荷為：</p><p><b>　?。?-17）</b>&l

57、t;/p><p>　　式中—在預(yù)緊螺栓時(shí)所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N）；</p><p>　　Y— 墊片或法蘭接觸面上的單位壓緊載荷（Mpa），查表得Y = 0；</p><p>　　—球體與密封圈之間的預(yù)緊力；由2.4可知112.75KN。</p><p>　　則112.75KN。</p><p>　　2.法蘭螺栓拉應(yīng)力的計(jì)算

58、</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　式中 —法蘭螺栓拉應(yīng)力（Mpa）；</p><p>　　W—和兩者中的大者（N）；</p><p>　　A—螺栓承受應(yīng)力下實(shí)際最小總截面積；</p><p>　　—螺栓材料在常溫下的許用拉應(yīng)力（Mpa）；查表得=108Mpa

59、。</p><p>　　則A=12X3.14X=5425.92</p><p>　　=79.3＜=108Mpa。</p><p>　　2.6.4 閥體法蘭校核</p><p>　　1.法蘭力矩計(jì)算 在計(jì)算法蘭應(yīng)力時(shí)，作用在法蘭上的力矩是載荷和他力臂的乘積，力臂決定與螺栓孔中心圓和產(chǎn)生力矩的載荷的相對(duì)位置。見(jiàn)下圖所示：</p>&

60、lt;p>　　圖 2-4 整體法蘭</p><p>　　作用于法蘭的總力矩為：</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　式中 —作用在法蘭內(nèi)直徑面積上的流體靜壓軸向力（N），;</p><p>　　—總的流體靜壓軸向力與作用在法蘭內(nèi)直徑面積上的流體靜壓軸向力之差（N），；</p

61、><p>　　—用于窄面法蘭的墊片載荷：;</p><p>　　—從螺栓孔中心圓至力作用位置處的徑向距離（mm），;</p><p>　　S—從螺栓孔中心圓至法蘭頸部與法蘭背面交點(diǎn)的徑向距離，; （2-20）</p><p>　　—法蘭頸部大端有效厚度（mm）；</p><

62、p>　　—從螺栓孔中心至力作用位置處的徑向距離（mm）,</p><p><b>　　;</b></p><p>　　—從螺栓孔中心至力作用位置處的徑向距離（mm），</p><p><b>　　;</b></p><p>　　—法蘭的內(nèi)直徑（mm）。</p><p>

63、　　由所設(shè)計(jì)的球閥閥體可知，=430mm，，，</p><p><b>　　，，，，</b></p><p><b>　　,,</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　。</b></p><p>

64、<b>　　則法蘭的總力矩為：</b></p><p><b>　?。∟*mm）。</b></p><p><b>　　2.法蘭應(yīng)力計(jì)算</b></p><p>　?。?）法蘭的軸向應(yīng)力（Mpa）</p><p><b>　?。?-21）</b></

65、p><p>　　式中 —作用于法蘭的總力矩（N*mm）；</p><p>　　f—整體式法蘭頸部校正系數(shù)，f=1；</p><p>　　—系數(shù)，查表得=2.5。</p><p><b>　　則 </b></p><p>　?。?）法蘭盤的徑向應(yīng)力(Mpa)</p><p>

66、　?。╡=0.0125） (2-22)</p><p><b>　　=</b></p><p>　　=17.49 （Mpa）</p><p>　　（3）法蘭盤切向應(yīng)力(Mpa)</p><p><b>　　(2-23)</b></p><

67、p>　　式中 Y、Z系數(shù)查表可知Y=4.64，Z=6.03</p><p><b>　　則（Mpa）</b></p><p>　　3.法蘭的許用應(yīng)力和強(qiáng)度校核</p><p>　　上述三個(gè)應(yīng)力應(yīng)滿足：</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p>&

68、lt;b>　　(2-25)</b></p><p><b>　　(2-26)</b></p><p>　　由閥體法蘭材料為HT200，可查得（Mpa）,</p><p>　　經(jīng)校核說(shuō)明應(yīng)力方面符合要求。</p><p>　　2.7 閥桿的設(shè)計(jì)和校核</p><p>　　閥桿是球閥

69、的主要受力零件之一，按照我國(guó)球閥標(biāo)準(zhǔn)，閥桿應(yīng)設(shè)計(jì)成：</p><p>　　在流體壓力的作用下拆開(kāi)閥桿密封擋圈時(shí)，閥桿不致于脫出。</p><p>　　2.7.1 閥桿材料選擇</p><p>　　閥桿作為球閥的重要受力零件，其材料必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能耐介質(zhì)、大氣及填料的腐蝕，耐擦傷，工藝性好。材料選用主要通過(guò)工況和設(shè)計(jì)壓力來(lái)選擇，由表2-2可選擇A5作為閥桿

70、材料。</p><p><b>　　表 2-2</b></p><p>　　2.7.2 閥桿填料的選擇、填料摩擦力及摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算</p><p><b>　　1.填料選擇</b></p><p>　　閥桿常用填料主要有V型填料、圓形片狀填料及O型密封圈等三種。</p><p&g

71、t;　　由于圓形片狀填料往往容易發(fā)生松弛而使密封比壓減小，以致密封遭到破壞，同時(shí)V型填料具有密封性能好、摩擦系數(shù)低且具有自封性能，因此我選用V型填料。</p><p><b>　　2.填料摩擦力計(jì)算</b></p><p>　　填料與閥桿之間的摩擦力可按下式計(jì)算</p><p>　　(N)

72、 （2-27）</p><p>　　式中 —填料與閥桿之間的摩擦系數(shù)，=0.05；</p><p>　　Z—填料圈數(shù)，Z=3；</p><p>　　h—單圈填料高度，h=1.5mm。</p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　則</

73、b></p><p>　　3.閥桿臺(tái)肩與之退點(diǎn)之間的摩擦力的計(jì)算</p><p>　　摩擦力計(jì)算公式如下：</p><p>　　(N) （2-28）</p><p>　　式中 —臺(tái)肩外徑或止推外徑（mm）；</p><p>　　—閥桿直徑（mm），=60mm；&l

74、t;/p><p>　　—摩擦系數(shù)，=0.05。</p><p><b>　　則</b></p><p>　　4填料及止推墊的摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算</p><p>　　填料轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下</p><p>　?。∟mm) (2-29）</p&g

75、t;<p>　　則x60=3030Nmm</p><p>　　止推墊片的摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下</p><p>　　(Nmm) (2-30)</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　由此可知球閥的轉(zhuǎn)矩</b>&

76、lt;/p><p>　　=3030+15257+1290000=Nmm</p><p>　　2.7.3 閥桿強(qiáng)度的計(jì)算</p><p>　　閥桿上的轉(zhuǎn)矩分布圖見(jiàn)下圖所示，主要受力面是I—I~IV—IV。其中Ⅲ—Ⅲ面的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算可做為設(shè)計(jì)時(shí)初定閥桿直徑用。</p><p>　　1.I—I斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為</p><p>

77、　　≤ (2-31)</p><p>　　式中 —閥座密封面與球體間的摩擦轉(zhuǎn)矩（Nmm）；</p><p>　　—材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，（Mpa），=1050Mpa；</p><p>　　W——I—I斷面的抗扭轉(zhuǎn)系數(shù)。 。</p><p>　　圖2-5 浮動(dòng)球閥閥桿轉(zhuǎn)矩分布圖</p>

78、<p><b>　　a和可由下表查得</b></p><p>　　表2-3 b/a與的關(guān)系</p><p>　　圖 2-6 閥桿與球體連接部分的斷面</p><p><b>　　故</b></p><p><b>　　則≤=1050</b></p>&

79、lt;p>　　2.Ⅱ—Ⅱ斷面處剪切應(yīng)力的計(jì)算</p><p><b>　　（2-32）</b></p><p>　　式中 D—閥桿頭部凸肩的直徑（mm）；</p><p>　　d—閥桿直徑（mm）；</p><p>　　H—閥桿頭部凸肩的高度（mm）;</p><p>　　P—流體的工作壓

80、力（；</p><p>　　—材料的許用剪切應(yīng)力（，查表得=990。</p><p><b>　　則≤=990。</b></p><p>　　3.Ⅲ—Ⅲ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（</p><p><b>　　（2-33）</b></p><p>　　式中 M—總摩擦轉(zhuǎn)矩（N）；&l

81、t;/p><p>　　W—Ⅲ—Ⅲ斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)（，</p><p><b>　　則≤=1050</b></p><p>　　4.Ⅳ—Ⅳ斷面處的抗扭轉(zhuǎn)面系數(shù)</p><p>　　由于閥桿和渦輪采用鍵連接故Ⅳ—Ⅳ與Ⅲ—Ⅲ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力相同無(wú)需再進(jìn)行校核。</p><p>　　綜上閥桿的應(yīng)力均符合

82、要求。</p><p>　　2.8 閥桿連接件的強(qiáng)度計(jì)算</p><p>　　閥桿連接件采用平鍵連接，因?yàn)槠芥I結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及替換方便。</p><p>　　根據(jù)閥桿直徑為60mm，可知平鍵的尺寸，選用bxh為18x11的普通平鍵。下面是平鍵的強(qiáng)度計(jì)算：</p><p>　　1.平鍵的強(qiáng)度計(jì)算 平鍵的畢壓按下式計(jì)算</p>

83、<p>　　≤ （2-34）</p><p>　　式中 T—轉(zhuǎn)矩（Nmm），對(duì)于閥桿驅(qū)動(dòng)裝置連接部分：T=M;對(duì)于法干預(yù)球體連接部分T=；</p><p><b>　　n—鍵數(shù)：</b></p><p>　　L—鍵的工作長(zhǎng)度（mm）；L=0.3a=30mm；</p>

84、<p>　　K、—如下圖所示；K=4mm；；</p><p>　　—許用壓力（），查表得=100-120。</p><p><b>　　則＜，故校核滿足。</b></p><p>　　圖 2-7 平鍵受力圖</p><p>　　2.平鍵剪切力計(jì)算 剪切力（）按下式進(jìn)行計(jì)算：</p><

85、;p>　　≤ （2-35）</p><p>　　式中 —許用剪切應(yīng)力，查表取=90；</p><p>　　T、、L、n—與前相同；</p><p><b>　　b—如上圖所示。</b></p><p><b>　　則＜=90。</b><

86、;/p><p>　　2.9 球體的設(shè)計(jì)和校核</p><p>　　由2.2可知球體的半徑是190mm。</p><p>　　球體作為球閥控制的直接動(dòng)作零件，必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。球體的主要結(jié)構(gòu)特征是球體與閥桿的連接結(jié)構(gòu)，其必須滿足所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩同時(shí)保證有足夠的靈活性，后者是保證工作性能的必要條件。</p><p>　　由于閥桿與球體的接觸部分

87、是間隙配合，因此，在接觸面上的比壓分布是不均勻的，如下圖所示。有分析可知，計(jì)算時(shí)可近似地采用擠壓長(zhǎng)度，而作用力矩的臂長(zhǎng)K=0.8a（mm），則擠壓力按下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?-36）</b></p><p>　　圖2-8 閥桿頭部的比壓分布</p><p>　　式中 —球體與閥座密封面之間的摩擦力矩；</p>

88、<p>　　h—閥桿頭部插入球體的深度（mm），h=40mm；</p><p>　　a—閥桿頭部的邊長(zhǎng)（mm）a=100mm；</p><p>　　—球體許用擠壓應(yīng)力；。</p><p><b>　　則≤。</b></p><p>　　故球體強(qiáng)度要求滿足。</p><p>　　這里需要

89、注意的是，按強(qiáng)度要求考慮，即擠壓應(yīng)力等于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因而一般取h=（1.8~2.2）amm。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)受到球體尺寸的限制，h不能過(guò)大，為了減小擠壓應(yīng)力，往往加大接觸面的尺寸，即加大a的尺寸。故a與h的關(guān)系不能為h=（1.8~2.2）amm。</p><p>　　2.10 球閥的閥座設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)閥門泄漏的部位和性質(zhì)，尚有內(nèi)漏和外漏之分。對(duì)球閥而言，內(nèi)漏發(fā)生與閥座與球體和

90、閥座與閥體之間的接觸面上；外漏則發(fā)生于填料函上，也有可能在連接法蘭與墊片之間。</p><p>　　閥門內(nèi)漏的流體雖然未流到外界，不會(huì)污染環(huán)境，也沒(méi)有流體損失，但其危害性十分嚴(yán)重，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則由于滲漏串通將釀成惡性事故。</p><p>　　球閥閥座主要有普通閥座和彈性閥座兩種，普通閥座的特點(diǎn)是：在預(yù)緊力或者流體壓力的作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產(chǎn)生塑性變形而達(dá)到密封。彈

91、性閥座除了與普通閥座和彈性閥座一樣，在預(yù)緊力或流體壓力（或者兩者兼有之）作用下，閥座材料產(chǎn)生塑性變形而達(dá)到密封外，還由于閥座本身的特殊結(jié)構(gòu)或者借助于彈性元件，如金屬?gòu)椥怨羌?、彈簧等辦法，在預(yù)緊力或流體壓力下產(chǎn)生彈性變形，以補(bǔ)償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對(duì)球閥密封性能的影響。</p><p>　　普通球閥的密封效果取決于閥座在流體壓力或者預(yù)緊力的作用下，能夠補(bǔ)償球體的不圓度和表面微觀不平度的程度。因此，閥座與球

92、體之間必須具有足夠大的密封比壓，并應(yīng)滿足以下條件：</p><p>　　式中 —保證閥門的密封的必需比壓（）；</p><p>　　q—閥門工作時(shí)的實(shí)際比壓（）；</p><p>　　—閥座材料的許用比壓。</p><p>　　普通閥座的結(jié)構(gòu)如下圖所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造最方便，應(yīng)用比較普遍。但這種閥座在裝配時(shí)，調(diào)試比較困難，因?yàn)橐_(dá)到密封

93、所必需的比壓，需要拆卸閥體中的法蘭、調(diào)配左、右閥體之間的密封墊片的厚度。</p><p><b>　　圖2-9 普通閥座</b></p><p>　　彈性閥座是本世紀(jì)七十年代初才出現(xiàn)的新型閥座結(jié)構(gòu)，其發(fā)展正方興未艾。它們都是針對(duì)特定工況條件研究設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)和種類繁多。</p><p>　　斜面彈性閥座有單斜面和雙斜面之分，單斜面彈性閥座如下圖

94、所示，這種發(fā)作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制作方便，彈性補(bǔ)償能力差是其缺點(diǎn)，圖中虛線位置為閥座在預(yù)緊前的自由狀態(tài)。這種彈性閥座適用于DN≤250mm的浮動(dòng)球球閥。</p><p>　　所以我選取彈性閥座，從球閥類型為浮動(dòng)球閥考慮，我選取斜面彈性閥座，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，替換性好。如下圖所示：</p><p>　　圖2-10 單斜面彈性閥座</p><p>　　2.

95、11 省力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核</p><p>　　用于球閥的省力機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有傳動(dòng)速比大，外形尺寸小，球體能固定在開(kāi)關(guān)中間的任意位置，以及防止灰塵和污物進(jìn)入裝置內(nèi)部等特點(diǎn)。其中以渦輪蝸桿的特點(diǎn)最為明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比大，具有自鎖性能。</p><p>　　2.11.1蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)</p><p>　　蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)有模數(shù)m、壓力角、蝸桿頭數(shù)、蝸桿直徑系數(shù)q和蝸桿

96、分度圓柱導(dǎo)程角等。由于要求實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比和反行程要求自鎖的蝸桿傳動(dòng)取。根據(jù)蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)的薦用值可知，取傳動(dòng)比i=30，?？紤]到渦輪蝸桿中心距不能過(guò)小，取m=5，查GB/T 10085-1988可知選m=5，，q=10，蝸桿分度圓直徑為50mm。</p><p>　　根據(jù)阿基米德蝸桿傳動(dòng)主要幾何尺寸的計(jì)算公式可知，</p><p>　　中心距

97、 （2-37）</p><p>　　蝸桿齒頂圓直徑 （2-38）</p><p>　　蝸桿齒根圓直徑 （2-39）</p><p>　　蝸桿分度圓直徑 （2-40）</p>

98、<p>　　蝸輪分度圓直徑 （2-41）</p><p>　　蝸輪喉圓直徑 （2-42）</p><p>　　蝸桿齒根圓直徑 mm （2-43）</p><p>　　蝸輪外徑 ≤，取=1

99、60.4mm （2-44）</p><p>　　蝸桿螺紋長(zhǎng)度 ≥，取L=50mm （2-45）</p><p>　　蝸輪齒根圓弧面半徑 （2-46）</p><p>　　渦輪齒頂圓弧面半徑 （2-47）</p>

100、;<p>　　由于球閥球體工作只需旋轉(zhuǎn)90°，故可用120°的扇形蝸輪代替全蝸輪，這樣既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，縮小了體積，又節(jié)省了原材料。</p><p>　　2.11.2蝸輪蝸桿的強(qiáng)度校核</p><p>　　因?yàn)槲仐U傳動(dòng)的失效一般發(fā)生在蝸輪上，所以只需要進(jìn)行蝸輪輪齒的輕度計(jì)算。</p><p>　　齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核和計(jì)算公式如下：&

101、lt;/p><p>　　≤ （2-48）</p><p>　　式中 —彈性系數(shù)，查表得=75；</p><p>　　—載荷系數(shù)。取=1；</p><p><b>　　—蝸輪轉(zhuǎn)矩；;</b></p><p><b>　　m—模數(shù)，m=5；</

102、b></p><p>　　—蝸桿分度圓直徑，=50mm；</p><p>　　—蝸輪齒數(shù)，=30。</p><p>　　—蝸輪的許用接觸應(yīng)力，=250。</p><p><b>　　則≤=250</b></p><p>　　3 ANSYS軟件分析</p><p>　　

103、3.1ANSYS軟件的應(yīng)用和介紹</p><p>　　在球閥的早期設(shè)計(jì)時(shí)，主要通過(guò)物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)包括一定的零件強(qiáng)度。剛度和變形分析。在以前的受到計(jì)算方式的限制，主要依靠材料力學(xué)和理論力學(xué)中的力學(xué)分析原理來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而很多計(jì)算公式中都忽略了現(xiàn)實(shí)狀況的影響，而且這些設(shè)計(jì)計(jì)算無(wú)法為研究人員提供合理的參考以及薄弱環(huán)節(jié)的位置問(wèn)題。傳統(tǒng)模式主要依靠的是將整體簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)零件，再對(duì)其每個(gè)零件進(jìn)行簡(jiǎn)化的力學(xué)分析，這其中

104、簡(jiǎn)化忽略了相互零件之間的作用力，在實(shí)際使用時(shí)，可能會(huì)與理論設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生很大不同。</p><p>　　隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和力學(xué)理論的發(fā)展，ANSYS軟件也開(kāi)始為廣大的設(shè)計(jì)師們使用對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的三維模型進(jìn)行分析，其主要采用有限元分析方法進(jìn)行三維力學(xué)分析。</p><p>　　本章采用ANSYS工程軟件對(duì)球閥的閥體進(jìn)行了有限元靜力結(jié)構(gòu)分析，并探討了球閥閥體結(jié)構(gòu)建模方法以及網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算

105、結(jié)果的影響，其結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。</p><p>　　由于在ANSYS建模是十分重要的，但是直接在ANSYS中建模是十分困難的，所以我現(xiàn)在soliderworks中進(jìn)行三維建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析。</p><p>　　ANSYS是集結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANsYs能與大多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享

106、和交換，如PRO，E、NAsTRAN、Alogor、I．DEAs、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。</p><p>　　軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。</p><p>　　前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;</p><p>　　分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析

107、、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；</p><p>　　后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。</p><p>　　A

108、NSYS提供的分析類型主要包括：</p><p><b>　　1.結(jié)構(gòu)靜力分析 </b></p><p>　　用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。 </p><p>　　

109、2.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 </p><p>　　結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 </p><p>　　3.結(jié)構(gòu)非線性分析 </p><p>　　結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響

110、應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 </p><p><b>　　4.動(dòng)力學(xué)分析 </b></p><p>　　ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 </p>

111、<p><b>　　5.熱分析 </b></p><p>　　程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 </p><p><b>　　6.電磁場(chǎng)分析 </b></p&g

112、t;<p>　　主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 </p><p>　　7.流體動(dòng)力學(xué)分析 </p><p>　　ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的

113、壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 </p><p><b>　　8.聲場(chǎng)分析 </b></p><p>　　程序的聲學(xué)功能用來(lái)研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)

114、，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 </p><p><b>　　9.壓電分析 </b></p><p>　　用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、

115、瞬態(tài)響應(yīng)分析</p><p>　　本章主要對(duì)閥體的結(jié)構(gòu)靜力進(jìn)行分析和優(yōu)化。</p><p>　　3.2 模型的導(dǎo)入和分析</p><p>　　3.2.1 模型的簡(jiǎn)化、導(dǎo)入和分析準(zhǔn)備</p><p>　　為了保證計(jì)算的精確性以及縮小不必要的計(jì)算范圍，我們可以將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行，在盡可能保證能反映閥體本身結(jié)構(gòu)特性的情況下，以便

116、減少分析的復(fù)雜程度。在建立有限元計(jì)算模型時(shí)應(yīng)采用以下幾種簡(jiǎn)化原則：</p><p>　　總體坐標(biāo)系的建立應(yīng)盡可能與球閥閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系一致；</p><p>　　構(gòu)件表面光、順、滑，忽略球閥閥體各處過(guò)渡圓角和倒角；</p><p>　　（3） 載荷分配。載荷的分配直接影響計(jì)算結(jié)果，所以我們要對(duì)重力進(jìn)行合理分配計(jì)算。</p><p>　　根

117、據(jù)第二章中的閥體設(shè)計(jì)結(jié)果，在soliderworks中進(jìn)行三維建模，同時(shí)考慮到有限元計(jì)算模型的簡(jiǎn)化原則，將閥體中的對(duì)結(jié)果影響效果圓角和倒角去除后再導(dǎo)入ANSYS。</p><p>　　將模型導(dǎo)入ANSYS后的第一步將球閥前后閥體的三維模型結(jié)構(gòu)模型化，即將其化為有限元計(jì)算模型，下圖在ANSYS WORKBENCH 中轉(zhuǎn)化的球閥閥體模型</p><p>　　將模型導(dǎo)入ANSYS后，我們需要比較

118、前后模型，確保其模型不應(yīng)發(fā)生扭曲、變形、丟面和多面的現(xiàn)象，為接下來(lái)的分析做準(zhǔn)備。</p><p>　　對(duì)球閥閥體進(jìn)行有限元分析時(shí)，必須要建立一個(gè)準(zhǔn)確的物理數(shù)學(xué)模型，模型應(yīng)包括所有的節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)、邊界條件，以及其它表現(xiàn)這個(gè)物理系統(tǒng)的特征。實(shí)體建模方法能夠直接和模型的幾何特性打交道，無(wú)需關(guān)注有限元模型特定的幾何特征，如節(jié)點(diǎn)、單元等。有限元模型是對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的數(shù)學(xué)表示方法。</p>&

119、lt;p>　　3.2.2 模型的材料定義</p><p>　　將模型導(dǎo)入后，還需要對(duì)球閥閥體材料進(jìn)行定義，首先，本次設(shè)計(jì)采用的球閥閥體材料為HT200，本次選用的是三維實(shí)體單位需要定義材料的彈性模量“E”和材料的泊松比“”。</p><p>　　HT200的泊松比為0.3而其彈性模量為130，密度為7000，將其輸入ANSYS 中如下圖所示。</p><p>

120、　　圖3-1 邊界條件設(shè)置</p><p>　　3.2.3 模型的加載和邊界條件的確定</p><p>　　在對(duì)模型的材料定義后，接下來(lái)就是對(duì)載荷的輸入和邊界條件的確定，這是有限元處理前的重要準(zhǔn)備部分。在對(duì)球閥閥體進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析時(shí)，我們需要考慮兩中載荷：慣性載荷和強(qiáng)迫位移載荷。慣性載荷有閥體本身產(chǎn)生，而強(qiáng)迫位移載荷是由閥體在工作時(shí)產(chǎn)生的。在ANSYS中可以方便的輸入載荷的大小和方向。&l

121、t;/p><p>　　閥體的約束主要是在Z軸方向上的。由于其在工作時(shí)流體在Z軸方向上運(yùn)動(dòng)，故球閥在Z軸上不能產(chǎn)生位移。同時(shí)在閥口端面上施加全約束。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)條件在閥體內(nèi)表面上施加2的壓力載荷。</p><p>　　圖3-2 前閥體邊界條件面選擇圖 圖3-3 后閥體邊界條件面選擇圖</p><p>　　圖

122、 </p><p>　　圖3-4 后閥體的網(wǎng)格劃分 圖3-5前閥體的網(wǎng)格劃分</p><p>　　3.2.4 模型的加載后分析結(jié)果</p><p>　　下面是ANSYS分析提供的應(yīng)變圖，分別給出了整體應(yīng)變圖、X軸方向上的應(yīng)變圖、Y軸方向上的應(yīng)變圖和Z軸方向上的應(yīng)變圖。如圖3-6，圖3-7，圖3-8，圖3-9，圖3-10