周云忠 柴為民

摘要：閥門設(shè)計中涉及到的應(yīng)力集中問題，是影響閥門產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)的重要因素，因此對于應(yīng)力集中問題的相關(guān)研究也日漸增多。應(yīng)力集中指的是物體受到外力條件的影響下，產(chǎn)生幾何形狀和外形尺寸的突變，進而引起局部范圍內(nèi)的應(yīng)力顯著增加的現(xiàn)象，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，大多在物體的尖角位置、缺口位置以及其他具有剛性約束的位置。應(yīng)力集中現(xiàn)象也是閥門產(chǎn)品設(shè)計中一種常見的現(xiàn)象，如何通過科學的計算，加強對閥門應(yīng)力集中的科學計算，從而獲得理想的計算結(jié)果，將其應(yīng)用到閥門設(shè)計中，提高閥門設(shè)計的效率，是當前面臨的重要問題。本文就主要針對閥門設(shè)計的應(yīng)力集中的相關(guān)問題進行簡單的探討。

關(guān)鍵詞：閥門設(shè)計 應(yīng)力集中 局部細化法

應(yīng)力集中是閥門設(shè)計中一種常見的現(xiàn)象，通過科學的計算，掌握應(yīng)力集中的數(shù)據(jù)信息，對于優(yōu)化閥門產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計有著十分重要的意義。同時，應(yīng)力集中對于閥門產(chǎn)品的使用壽命也有著較大的影響，通常情況下，閥門結(jié)構(gòu)的疲勞壽命對應(yīng)力集中有著很強的敏感性，而以往的計算方法中，大多是在常規(guī)靜力學的分析中獲得的結(jié)果，這種狀態(tài)下的計算結(jié)果在閥門產(chǎn)品的疲勞預測中，卻存在著較大的誤差，因此，為了獲得更準確的數(shù)據(jù)，必須要采用科學的應(yīng)力集中計算方法，文章就針對這一問題進行分析。

1.應(yīng)力集中分析方法

1.1局部細化法

局部細化法是進行應(yīng)力集中分析的常用方法，其在模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問題上，準確性較高。局部細化法指的是對整個模擬區(qū)域進行劃分，形成多個網(wǎng)格形式，然后再針對其中應(yīng)力梯度變化較大的單元或者是區(qū)域，進行重點加密。在實際的操作中，可以將網(wǎng)格中的某個點為中心，對其周圍的區(qū)域進行細化加密，以此實現(xiàn)單元或者區(qū)域的加密。

1.2子模型方法

在應(yīng)用局部細化法的應(yīng)用中會出現(xiàn)一種現(xiàn)象，某些單元的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格密度不夠，但是其他的部位網(wǎng)格密度已經(jīng)足夠，在這種情況下，對于用戶比較關(guān)心的區(qū)域，就很難保證應(yīng)力集中分析結(jié)果的準確性，無法到用戶的需求，這里就需要應(yīng)用子模型技術(shù)。子模型技術(shù)主要是針對已經(jīng)獲得的區(qū)域內(nèi)的單元進行更加細化的單元分割，從而獲得更精確的數(shù)據(jù)。子模型技術(shù)需要將應(yīng)力集中區(qū)域進行切割，而切割的邊界就是整個模型區(qū)域的分割邊界，整體模型的切割邊界能夠為子模型邊界的確定提供依據(jù)和參考。子模型方法以圣維南原理為根本的理論依據(jù)，如果模型的負荷經(jīng)過切割而分布在不同的區(qū)域時，應(yīng)力的變化在荷載施加部位的邊緣發(fā)生變化，而其他區(qū)域上的應(yīng)力不會發(fā)生較大的變化。因此，應(yīng)用子模型技術(shù)時應(yīng)當與應(yīng)力集中的位置存在一定的距離，才能保證結(jié)果的準確性。

1.3自適應(yīng)網(wǎng)格劃分

自適應(yīng)網(wǎng)格方法主要是針對某些應(yīng)力變化較為顯著的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)應(yīng)力變化引起的變形和波動，對誤差進行估計，從而自動判斷網(wǎng)格的分布密度是否科學，為網(wǎng)格分布提供必要的依據(jù)。如果判斷結(jié)果說明網(wǎng)格密度不夠，則程序?qū)⒆詣訉⒕W(wǎng)格密度升級，以此減少誤差。網(wǎng)格在不斷的調(diào)整過程中逐漸細化，達到網(wǎng)格分布點與物理解的耦合，便可以通過求解的過程將誤差降到最低，最大限度的保證結(jié)果的準確性。

2.閥門設(shè)計的引應(yīng)力集中方法應(yīng)用實例

在實際的閥門設(shè)計工作中，選擇正確的應(yīng)力集中分析方法，能夠有效的促進應(yīng)力集中分析的準確性。文章以某閘閥為例，對三種不同應(yīng)力集中分析方法的應(yīng)用過程和效果進行對比分析。

2.1模型的建立

根據(jù)設(shè)計圖紙中閘閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用三維實體軟件PRO/E建立分析模型，同時建立PRO/E與ANSYS之間的無縫連接，以此實現(xiàn)有限元分析模型的建立。閘閥模型如圖1所示。

圖1 閘閥模型

2.2閘閥模型的網(wǎng)格劃分

為了保證分析結(jié)果的準確性，需要對模擬結(jié)構(gòu)進行必要的結(jié)構(gòu)劃分，這里應(yīng)用帶有中間節(jié)點的二階單元實現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的劃分。在二階單元中包含多個四面體單元，這些單元結(jié)構(gòu)具有較強的擬合功能，能夠在復雜的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)不同單元之間的有效連接，也能夠促進模擬結(jié)果準確性的提高。在本次研究中，以結(jié)構(gòu)對稱性理論為基本的研究依據(jù)，對于閘閥模型進行了全面的分析。模型荷載分布如圖2所示。

圖2 閘閥模型荷載分布

2.3閘閥應(yīng)力集中分析

根據(jù)網(wǎng)格細化法的應(yīng)用要求，對于該閘閥模型以20為標準進行網(wǎng)格細化，子模型技術(shù)中應(yīng)用的粗糙模型尺寸也以20為標準，自適應(yīng)網(wǎng)格中最小的網(wǎng)格單元是10，最大的迭代設(shè)置為100，結(jié)構(gòu)誤差為5%。通過三種不同的網(wǎng)格劃分和分析方法，獲得三組應(yīng)力效應(yīng)數(shù)據(jù)，分別為286、271、273。由此可以看出，利用網(wǎng)格細化法獲得模擬效果最好，而另外兩種方法在模擬和網(wǎng)格劃分方面都相對較為繁瑣，而且在模擬結(jié)果方面也存在不同程度的誤差。

3.應(yīng)力集中準確性對閥門設(shè)計的影響

閥門應(yīng)力集中的分析結(jié)果對于閥門設(shè)計的可靠性有著重要的影響，應(yīng)力集中分析結(jié)果能夠為閥門設(shè)計和制造提供詳細的數(shù)據(jù)依據(jù)，不僅能夠促進產(chǎn)品設(shè)計的科學性，同時也能保證閥體的最佳性能，延長閥門的使用壽命。在實際的應(yīng)力集中分析過程中，需要根據(jù)閥門的不同使用要求，對于應(yīng)力集中分布的特點進行分辨，才能保證應(yīng)力集中分析結(jié)果的可靠性，從而促進閥門設(shè)計的科學性。

4.結(jié)束語

通過本文的分析可以看出，在相同的條件下，利用局部細化法能夠更加全面的模擬出閥體應(yīng)力集中的實際情況。同時，利用這種方法也能夠?qū)⑻荻茸兓^大的其他問題進行很好的模擬，并且獲得較為理想的效果。在實際的操作過程中，局部細化法的操作很簡便，只需要對梯度變化較大的節(jié)點和單元進行加密操作便能實現(xiàn)模擬過程。如果加密的結(jié)果達不到理想的要求，可以提高加密的等級，直到合格為止。綜上所述，對于閥門設(shè)計的應(yīng)力集中問題的研究，應(yīng)用局部細化法能夠達到理想的效果。

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