基于ANSYS有限元软件的三偏心蝶阀受力和流场分析
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摘 要 三偏心蝶阀具有温度和压力适用范围广、启闭力矩小、密封性好、抗磨损、使用寿命长等优点，在不同的应用领域、不同的工作环境，将三偏心蝶阀应用在管道输送系统上，可实现“零泄漏”密封，截断和流量调节功能异常强大。本文主要以600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀为例，通过ANSYS Workbench软件研究三偏心蝶阀受力情况，并对流过蝶阀的流体介质建立模型，对流过蝶阀的流体介质进行数值模拟分析，研究流过蝶阀的流体介质与蝶阀蝶板开度之间的关系，通过对比分析结果，验证设计方案合理性。
关键词 ANSYS；三偏心蝶阀；数值模拟；流场分析
中图分类号TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）136-0128-02
三偏心蝶阀是一种阀杆轴心同时偏离碟片中心及本体中心，且密封副为斜椎的蝶阀，由于其具有体积小、结构简单、操作简便、温度和压力适用范围广、启闭力矩小、密封性好、抗磨损，被广泛用于介质温度≤425℃的冶金、电力、石油化工、给排水、市政建设等工业管道中，发挥截断和流量调节功能。本文试图采用有限元方法利用ANSYS Workbench软件对三偏心蝶阀密封系统和流过蝶阀的流体介质进行数值模拟和对比分析，为蝶阀的进一步优化提供有力依据。
1 三偏心蝶阀的特征
三偏心蝶阀的结构特征是它的三个偏心量：第一个偏心是蝶板的回转中心相对于蝶板中心在管道轴线方向的轴向偏心a；第二个偏心是蝶板的回转中心相对于阀体管道轴线的径向偏心b；第三个偏心是蝶板密封副所在圆锥形封面的中心线与阀体管道轴线形成的一个偏心角度φ。由于三偏心蝶阀在管道轴线方向有一个偏心距，这一设计保证了蝶阀密封面是一个连续完整的锥面，降低了密封面加工难度，而且在设计中更容易确定密封面的几何中心。第三次偏心后，密封副所在锥面轴线与管道轴线形成一个偏心角，蝶板的密封断面不再是圆，而是椭圆，这就避免了蝶阀关闭时蝶板的密封表面不能进入阀座而产生的干涉现象。
2 基于ANSYS 有限元软件的三偏心蝶阀结构静力学分析
三偏心蝶阀在关闭时流体介质冲击较小，因此本文将蝶阀所受动载荷简化为静载荷处理，对蝶阀受力情况的分析主要用关闭时最大动荷载模拟蝶板所承受的最大静荷载。
以600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀为例，我们结合相关计算公式，得到a=23mm，b=5mm，φ=10°。根据其实际工作环境以及介质对蝶板作用力，得到以下参数，见表1。
表1 蝶阀结构与受力收集结果
600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀
管道直径 600mm 阀体材质 WCB
蝶板直径 596mm 密封圈材质 不锈钢片
阀杆直径 76mm 公称压力 1.6MPa
阀体最大直径 840mm 蝶板所受压力 2MPa
蝶板厚度 20mm 介质 水
蝶板材质 WCB 出口水压 0
阀杆材质 2Cr13 温度 20℃
利用三维制图软件建立蝶阀三维模型后将模型导入ANSYS Workbench软件，对模型施加约束和荷载。通过选择分析类型，设置分析选择项――施加荷载――设置荷载及其选项――执行求解这个流程完成加载和求解。对蝶阀和管道连接表面施加全方位约束，之后进行网格划分。在建模前，应将所施加的各边界条件的单位进行统一，本文统一为mm。完成加载和计算求解后得到蝶阀总应变和等效应力图。结果表明，当对蝶板正端面施加2MPa且垂直于蝶板表面的载荷时，在关闭时蝶板变形最大，经计算，最大变形量为0.22，蝶板中心是最大变形位置，蝶板变形率为0.0044，变形率很低，因而对蝶阀密封效果不会造成太大影响，这揭示了蝶阀内流体介质对蝶板的压力并不是造成蝶板与阀座开、关时发生干涉现象的关键因素；在管道内，流体会受到一些杂质或其他物质的影响，致使流体流速变缓，压力降低，三偏心蝶阀在关闭后，流体介质瞬间冲击，因而实际蝶板变形会低于模型蝶板变形计算值；在有限元分析软件分析下，蝶板在受到2MPa的正向压力时变形率很低，所以经过计算得到a、b、φ值符合实际工作要求。
事实上，三偏心蝶阀在实际工作中可根据所受的不同环境、介质以及工作压力等选择不同的数值，因而三偏心值并不是确定的，可在一个适宜的区域范围中做出合理选择。
3 基于ANSYS 有限元软件的三偏心蝶阀流场数值模拟分析
在开、关过程中对流体压力、流体流速等的影响是在选择蝶阀规格时需要考虑的因素，它们影响管路的阻力特性，设计者必须对此给予高度重视。为明确蝶阀对流场各方面的影响系数，对流过蝶阀的流体介质建立模型，采用有限元分析软件展开数值模拟分析。
对于600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀，其现场实验数据采集结果见表1，另水流速度为10m/s。首先，利用三维制图软件建立蝶阀的三维立体模型，将阀座、蝶板、阀杆组成装配体，各个零件尺寸和配合符合组装要求。将模型导入软件后，定义流体介质为圆柱体，各种零件类型，将蝶阀阀座、蝶板、阀杆定义为墙壁，压制隐藏。采用ANSYS Workbench软件中的自动变成系统自动生成三棱体网格，三棱体网格划分完成后，建立初始条件，定义边界条件，我们采用有限体积法来建立离散方程，以得到方程的精确解，方便之后边界控制体的处理。采用离散方式利用ANSYS Workbench软件将条件分配到相应节点上，之后定义流体介质类型、流动方向、经验系数、进出口压力等参数，生成求解方程，进行求解。定义出、入水面和蝶板分别为out、in、dieban，选择圆柱体，定义材料为水，流速为10m/s，蝶阀出、入水面和蝶阀分别定义为outlet、inlet、Wall，定义温度为20℃。本文主要模拟的是在相同介质、工况、水压和不同开度，开度对蝶阀介质流速和压力的影响，通过软件对蝶阀开度为10°～90°范围内的不同开度对流过蝶阀的流体的流线图进行运算分析。
结果表明，开度在0°～5.5°之间，流量为0，从5.5°开始，随着蝶板开度的增大，流速逐渐降低。在5.5°～40°范围时，蝶阀具有直线调节特性，可作为调节阀；在40°～70°时蝶阀具有快开流量特性，达到70°以上则没有调节特性。开度为10°的时候，瞬间流过蝶板最大开口处的流速约为135m/s，但由于这个区域较小，因而对蝶阀不会造成太大影响。流速的变化在50°之前有着较大变化，开度达到50°之后，流速变化缓慢，到90°全开状态时，流体流过蝶阀的流体流速与流入蝶阀的流体流速几乎相同。
4 结论
本文主要以600Ds343H双向多层次硬密封蝶阀为例，通过ANSYS Workbench软件研究三偏心蝶阀受力情况，并对流过蝶阀的流体介质建立模型，对流过蝶阀的流体介质进行数值模拟分析，研究流过蝶阀的流体介质与蝶阀蝶板开度之间的关系，通过对比分析结果，验证了设计方案合理性。本文为满足一定压力下双向零泄漏蝶阀的进一步优化提供了理论依据。
参考文献
[1]杨兆龙.三偏心金属硬密封蝶阀的结构与有限元分析[D].辽宁科技大学，2013.
[2]张勤昭，刘福生，王宏.三偏心蝶阀的流场和阻力特性研究[J].流体机械，2013，11：1-5，19.
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