0 引言

       闸阀是通过闸板与阀座密封面的相互贴合实现介质流动的阻断^[1]。阀体与阀盖是闸阀的主要部件，作为介质流动的通道，承受介质的压力、冲击及温度。当阀体与阀盖在介质压力下产生不均匀的变形时，可能会导致闸阀密封的泄露，所以需要对闸阀的阀体与阀盖进行分析计算，查看其应力及变形情况^[2]。闸板是闸阀重要的密封件，闸板通常受到正面作用的介质压力。当闸板产生较大变形时，闸板与阀座的密封面之间出现间隙，会造成阀门的泄露，有必要对完全关闭时的闸阀进行分析计算，计算闸板的变形与应力值，查看阀门的密封状况^[3]。韩雪峰等对超高压状况下的闸阀进行了分析研究^[4],得出阀体最大应力点所在的位置，并校核了在超高压状态下阀体及闸板的变形及应力是否要求。

       本文应用ANSYS Workbench 有限元仿真软件^[5-6]对大口径单向闸阀1/2模型进行了有限元分析，得到了在阀门外壳试验压力下的阀体及阀盖的变形与应力状况，并通过阀门内部圆弧的优化，有效降低了阀门的应力值。以及在阀门密封实验压力下，闸板的变形与应力状况及阀门的密封状况，为低压大口径单向阀的工作性能提供了可靠依据，并为其结构的优化提供了一定的参考。

1 阀门壳体数值模拟方法及结构优化

1.1几何模型和材料属性

       大口径单向闸阀主要由阀杆、闸板、阀盖、阀体等组成，如图1所示。闸阀的高度为1600mm,出入口直径为620mm。阀盖与阀体之间通过螺栓紧固连接，阀杆与闸板通过螺栓连接，并带闸板上下移动，闸板的运动行程为700mm。由于闸阀的几何模型以及边界条件具有几何对称性，所以本文采用1/2模型进行计算。

       本次用于计算的单向阀门的阀盖与阀体是由QT500球墨铸铁铸造而成，闸板与阀杆的材料为316不锈钢。本次用于分析的材料的参数如表1所示。

1.2、网格无关性验证

       模型网格单元的数量与质量很大程度上影响求解时间和求解结果。在进行网格划分时需要根据模型的特征，设计对应的网格类型，提高计算的精度。由于模型的结构比较复杂，有很多的曲面特征，不适合六面体网格的划分，所以采用四面体网格进行划分。在对阀门外壳进行初步分析时发现最大应力出现阀门内部的弧面处，所以对阀门内部弧面处的网格进行了加密处理。大口径单向闸阀的外壳的网格划分如图2所示。

       为了保证计算的准确度并且能够提高计算效率，分别对整体及局部网格进行了无关性验证。在进行整体网格无关性验证时，选取阀门外壳的最大变形作为网格无关性判断依据。选用 242507、616506 、967763、1635528、3140531，5种逐步增加的网格数量在0.2MPa的阀门外壳试验压力下进行模拟计算，网格数量对计算结果的影响如表2所示。在此网格数量范围内随着网格数量的增加，变形量变化非常小，但是计算时间成倍增长。所以整体网格尺寸设定网格数量为242507下的网格尺寸即为10mm。

       阀门内部弧面处的局部网格进行了加密处理，为了提高计算的准确度，所以对局部网格进行了网格无关性验证，选取阀门外壳的最大应力作为网格无关性的依据。选用252177、259695、263751、271920、295180、319867、367117、450750，8种逐步增加的网格数量在0.2MPa的阀门外壳试验压力下进行模拟计算。网格数量对计算结果的影响如表3所示。当网格加密到259695后随着网格数量的增加，应变增长百分比始终未超过5%，可知网格数量对应力的影响较小。为了更加准确的计算最大应力，所以选取450750这套加密后的网格数量用于计算。

1.3计算方法和边界条件

       网格划分完成后，进行边界条件的设置。采用1/2模型进行计算，需要在对称面上施加对称约束。闸阀的两端与管道通过法兰连接，所以在阀门的出入口端面设置固定支撑，并施加重力条件。进行阀门外壳实验时没有阀杆与闸板，液体介质与阀体、阀盖内部的每一个面接触，故对阀体外壳内壁面分别施加0.2MPa以及0.4MPa的均布压力，方向垂直与各个接触面的法向，边界条件的设置如图3所示。

1.4、数值结果分析

       0.2MPa及0.4MPa阀门外壳实验压力下，阀盖的应力及变形云图如图4所示，阀体的应力及变形云图如图5所示。

       由云图可知，闸阀在阀门外壳试验压力下，阀盖的最大变形出现在阀盖的中心部位，最大应力出现在阀盖内圆弧面处。阀体的最大变形出现在阀体的上端部，最大应力出现在阀体内表面的圆弧面处。当试验压力为0.2MPa时，阀盖最大变形为0.482mm,最大应力为170MPa；阀体的最大变形为0.172mm,最大应力为73.8MPa。当试验压力为0.4MPa时，阀盖最大变形为0.963mm,最大应力为340MPa；阀体的最大变形为0.343mm,最大应力为148MPa。QT500球墨铸铁的屈服极限为320MPa,因此可知在0.4MPa的实验压力下，阀盖的最大应力已经略微超过了材料的屈服极限^[7]，最大应力所在的局部区域可能发生塑性变形。

1.5、结构优化

       由图5可知，在0.4MPa的压力下，阀盖的最大应力略微超过材料的屈服极限。由于最大应力出现在阀盖内圆弧面处，所以通过对阀盖内圆弧面的优化^[8]，实现对阀盖应力值的降低。通过设定不同的圆弧面半径尺寸，计算在0.2MPa压力下阀盖的应力值。从图6中可以发现随着圆弧面半径的增加，阀盖的应力值在不断的减小，应力下降百分比也在不断的减小，当圆弧面的半径超过8mm以后，应力下降百分比变化的比较缓慢，考虑到加工问题，所以将阀门壳体内圆弧面的半径选为12mm。

       将阀门壳体内圆弧面的半径更改后，再一次对0.2MPa、0.4MPa压力下的阀门外壳进行了分析计算，计算结果如图7、图8所示。通过云图可知，优化后的闸阀在试验压力下，阀盖的最大变形出现在阀盖的中心部位，最大应力出现在阀盖内表面圆弧面处。阀体的最大变形出现在阀体的上端部，最大应力出现在阀体左端孔的内表面处。压力为0.2MPa时，阀盖最大变形为0.461mm,最大应力为119MPa,分别比优化前降低0.021mm,51MPa。阀体最大变形为0.167mm，最大应力为55.1MPa,分别比优化前降低0.005mm,18.7MPa。当压力为0.4MPa时，阀盖最大变形为0.922mm,最大应力为237MPa,分别比优化前降低0.041mm,103MPa。阀体最大变形为0.333mm，最大应力为110MPa,分别比优化前降低0.01mm,38MPa。

       由此可知优化后的阀门在最大试验压力下的最大应力远低于材料的屈服极限，阀门外壳的强度及刚度均满足要求^[10]，因此在设计阀门时要选择合适的圆弧角尺寸。

2、阀门整体的数值模拟方法

2.1、网格的划分及边界条件

       在密封实验压力下对阀门整体进行有限元分析^[9]，计算闸板的变形量与应力值。模型进行网格划分时，对闸板还有阀座表面处的网格进行了加密，如图8所示。

2.2 数值结果分析

       0.14MPa及0.28MPa阀门密封压力下，闸板应力及变形云图如图11所示，闸板与阀座的接触间隙云图如图12所示。

       由云图可知，大口径单向闸阀在阀门密封试验压力下，闸板的最大变形出现在闸板的中心处，最大应力出现在展板中心的表面处。在0.14MPa的密封试验压力下，闸板的最大变形为0.984mm,最大应力为52.5MPa,在0.28MPa的密封试验压力下，闸板的最大变形为1.94mm,最大应力为104MPa。闸板的材料为316不锈钢，由表1可知316不锈钢的屈服极限为225MPa,因此可知在最大的密封实验压力下，闸板的最大应力远小于最大屈服极限。

       由闸板与阀座的接触间隙云图可知，在0.14MPa的密封实验压力下，阀座内边接触间隙最大约为0.0016mm，外边的接触间隙最大约为0.11mm。由此可知在0.14MPa的压力下，大口径单向闸阀保持良好的密封性。在0.28MPa的密封实验压力下，阀座内边接触间隙最大约为0.0036mm，中间区域的接触间隙最大约为0.14mm，外边的接触间隙最大约为0.22mm。由此可知在0.28MPa的压力下，大口径单向闸阀依旧能保持良好的密封性^[3]。

3、结论：
    （1）、在0.2MPa及0.4MPa的壳体实验压力下，阀门及阀体的变形较小，最大变形量均为超过1mm,所以阀门外壳的刚度符合要求。在0.2MPa的压力下，阀体的最大应力为170MPa,阀体的最大应力为73.8MPa,均为超过屈服极限。在0.4MPa的压力下，阀体的最大应力为340MPa,阀体的最大应力为148MPa,阀体的最大应力值未超过屈服极限但是阀盖的最大应力已经超过屈服极限，局部区域可能发生了塑性变形。

    （2）、通过计算发现随着阀壳内部圆弧半径的增大，阀盖的应力值在不断的下降，圆弧半径在12-14mm之间应力下降幅度的变化比较平稳，考虑到阀盖实际的加工状况，所以将圆弧半径定在12mm,将结构优化后的模型再次进行有限元计算，可以发现阀盖与阀体的应力大幅下降，即使在0.4MPa的压力下，阀盖的最大应力也远低于屈服极限，阀门外壳的刚度与强度均满足要求^[7]。

    （3）在0.14MPa及0.28MPa的密封试验压力下，闸板的最大变形不超过2mm,而且最大应力不超过105MPa,所以在密封试验压力下，闸板的刚度及强度均满足要求。通过闸板与阀座的接触面间隙云图可知，外边的最大间隙为0.22mm，内边的最大间隙为0.0036mm约为0，所以可知在密封试验压力下，大口径单向闸阀的密封性较好。

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[3]何家胜,林骁,朱晓明,张林.球阀密封性的有限元分析[J].化工装备技术,2016,37(03):29-32.

[4]韩雪峰,匡茜茜,王寅.超高压闸阀强度有限元分析[J].中国设备工程,2021(22):95-97.

[5]刘嵩,杨建军,王彬,郭云德.基于ANSYS的节流阀阀体有限元分析[J].安阳工学院学报,2016,15(04):3-5+11.

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[10]金国栋.球阀热应力-结构强度计算与应力分析[J].阀门,2021(05):258-261.

第一作者：刘富文（1997-），男，山东日照人，硕士研究生，研究方向为多学科耦合建模与协同优化设计，地址：辽宁省大连市甘井子区凌工路大连理工大学。

通讯作者：宋学官（1982-），男，辽宁大连人，博士、教授、博导、青年千人，研究方向为机-电-热-流等多学科耦合建模与协同优化、工业大数据挖掘及数据驱动的预测技术，地址：辽宁省大连市甘井子区凌工路大连理工大学。