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发布日期：2015/6/8 浏览次数：1489
随着CAD/CAE技术的发展与成熟，其在产品的设计和优化过程当中发挥着越来越重要的作用，通过CAD软件对产品进行三维建模，运用CAE软件对其进行仿真分析，清楚的看出产品设计上的不足之处。SolidWorks软件集设计、验证、仿真于一体，以其为平台的有限元分析方法，在设计和优化工作上更加快捷、全面而且可靠，大大的提高了技术人员的工作效率。
连杆蝶阀是蝶阀的一种结构形式，具有加工制造简单、体积小、重量轻、动作灵活、拆装方便和密封性好等优点，在热风炉系统和预热炉系统中得到广泛应用，作为烟道阀、煤气切断阀、煤气燃烧阀、助燃空气切断阀、冷风阀等使用，在系统中起切断作用。
因其工作环境恶劣，阀板都需要有很好的强度，在阀板的优化设计过程当中，有很多早期的研究，其中从蝶阀本身结构出发对连杆蝶阀的结构分析，有对连杆蝶阀阀板结构进行优化设计，有对连杆蝶阀的流场受力分析的。
尽管这些研究都从各方面对连杆蝶阀进行了优化，进而增强了蝶阀的寿命和减小了其成本，但大多没有从蝶阀本身出发分析其材料使用情况。此次我们上海梦勰技术工程师着重对阀板的立板尺寸进行允许值内的优化研究，使阀板在保证强度的前提下具有更好的经济效益。
一、结构与受力分析
1、结构形式
某公司生产的连杆蝶阀如图1所示，主要由驱动装置、阀板、阀体、主轴、杆系部件组成。系统在工作状态时，阀板一直处于受力的状态，是磨损最快的零部件，所以连杆蝶阀的寿命取决于蝶阀中阀板的寿命[2]。阀板主要由横梁、立板、垫板、大圆盘钢板和座圈组成，如图2所示。
图1 连杆蝶阀
1.横梁；2.立板；3.垫板；4.大圆盘钢板；5.座圈
图2 阀板结构与受力分布
2、立板的受力分析
在阀门关闭的状态下，阀板要承受流体所有的压力，此时，立板虽然也处于流体的压力包裹之中，但与垂直于垫板方向上所受的力相比，其余方向上的力可以忽略不计。如图2所示，设作用在垫板、大圆盘钢板和座圈上的压强为P，蝶阀的工作压强P1≤0.26MPa，此处试验压强为1.5倍工作压强，即：
P=1.5P1=0.4MPa （1）
座圈外围半径为R（R=0.965m），则阀板沿垫板法线方向受力总和为：
F=PS=PπR2 （2）
由于阀板所受的压强全部由立板承受，对其等效处理可得到作用在立板上的力。用P1表示每一片立板承受的压强，S1表示立板底部的面积，立板宽度280mm、厚度40mm，由牛顿第三运动定律得：
（3）
3、 结构分析选定
线性静态结构分析是计算在稳定的载荷作用下结构的效应，它是不考虑惯性和阻尼的影响。经典力学理论中，物体的动力学通用方程为：
（4）
其中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度系数矩阵，{x}为位移矢量，{F}为力矢量。因为静力分析可以计算出固定不变的惯性载荷对结构的影响，以及近似为等价静力作用的随时间变化载荷，所以在线性静态结构分析时与时间无关，即位移{x}可由如下矩阵方程解出：
[K]{x}={F}（5）
其中假设[K]为一连续的常量矩阵，材料必须满足线弹性、小变形理论，允许包含非线性边界条件，{F}为静态加载到模型上的载荷，其不随时间变化，不包括惯性影响因素。
阀板在工作状态下受稳定的气压载荷，随时间变化可以近似为静态载荷，立板为包含非线性边界条件的线性结构，所以对立板的有限元分析可以用线性静态结构分析计算。
二、立板的有限元分析
1、立板实体模型的建立
SolidWorks拥有强大的实体建模功能，对立板的建模主要有两个步骤：一是绘制二维草图；二是拉伸草图生成实体。
在建模过程中要处理好单位的设置，保证SolidWorks和SolidWorksSimulation在运算时使用的单位一致，所以在建模过程中最好使用国际单位制“MKS”，模型如图3所示。
图3 固定约束和载荷
2、设置材料属性
立板的材料选择是Q235B，在SolidWorksSimulation应用材料中有与之对应的性能参数，弹性模量2.1e 11N/m2、泊松比0.28、屈服强度2.35e 8N/m2。
3、施加约束和载荷
由图1可以看出，立板是由销子连接到主动杆和辅助杆，主动杆和辅助杆再与主轴相连，所以在给立板施加约束时直接将固定约束定义在立板与销子接触的圆柱面上。而阀板所受的压强等效到立板上，即是将压强作用在立板与阀板接触的底部端面，如图3所示。
4、网格划分
网格划分是有限元分析中非常重要的一个环节，网格形式和网格单元形状的选取直接影响到运算结果的好坏。根据立板的结构特点和载荷类型选择实体网格，网格单元大小应不大于立板的最小壁厚值，相关网格模型信息见表1，网格划分模型如图4。
图4 网格划分
表1 网格信息
5、运行求解
网格化后的模型以大量线性方程组的形式出现在求解器中，SolidWorksSimulation可以为用户提供如下三种求解器：Di-rectSpace、FFE和FFEPlus。它们对于小问题的求解都是高效的，但各有侧重：
（1）计算机中可用内存越大，DirectSpace求解器的运算速度就越快。当模型中使用的材料弹性模量差异很大时（比如钢和尼龙），DirectSpace比FFE和FFEPlus的精度要高。
（2）如果选择了FFE结算器，则“使用平面内效果”，“使用弹簧使模型稳定”和“使用惯性卸除”选项不可用，FFE是不支持接触问题和厚外壳公式的。
（3）FFEPlus在处理自由度（DOF）超过100000时，速度比较快。它会随着问题的变大变得更有效率。
FFE是SolidWorksSimulation默认的求解器，运行求解得到立板的应力和位移变化量如图5和图6。
图5 应力云图
图6 位移云图
此时立板在厚度为40mm时所受的最大应力为1.35e 008N/m2，远小于屈服应力2.35e 008N/m2，最大变形量仅为0.1227mm，由于销轴与固体自润滑轴承之间有一定的设计间隙，所以这样的变形量，不会影响阀门的正常使用，立板处于允许的安全范围之内。
三、立板的优化设计
假设将立板的厚度设计由原来的40mm改为30mm，则其他条件相同的情况下，立板承受的压强P2为：
（6）
SolidWorks采用的是参数化建模，模型具有很好的再编辑功能，更改立板厚度后，只需要在SolidWorks中将立板拉伸深度更改为30mm，再次对立板进行分析求解便可，对应的应力和位移变化量如图7和图8。
图7 优化后应力云图
图8 优化后位移云图
从图中可知立板此时最大变形量只有0.1637mm，最大应力为1.75e 008N/m2，仍小于屈服应力，因此立板处于安全范围之内，不会影响阀门的正常运行。
设优化前后立板质量差为ΔM，则整个蝶阀系统在优化后的质量减少量为：
2ΔM=2ρΔV=2×7800×（5.4-4）×10-3=20.8kg （7）
阀板质量减少百分比为K=20.8÷83.4×100%=24.9%，大幅度的减轻了立板的重量。
四、结束语
通过SolidWorks及SolidWorksSimulation有限元分析模块成功地对阀板中的立板进行了受力分析，并根据分析结果对立板进行了适当的优化，优化后的经济效益在大批量生产的情况下是显而易见的，不仅节约了制造成本，而且使阀板更加轻便。
此方法大大缩短了产品的开发周期，简化了产品的设计过程，提高了技术人员的工作效率及设计的可靠性和完整性，具有很好的市场推广性。
SolidWorks技术哪家强？肯定得来上海找梦勰，我们为客户提供SolidWorks Electrical、Simulation全方面的解决方案。
上海梦勰信息技术有限公司（微信搜索MengXie_SolidWorks，获取更多SolidWorks技术信息）
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地址：上海市杨浦区隆昌路619号1号楼B311室(200090)
连杆蝶阀是蝶阀的一种结构形式，具有加工制造简单、体积小、重量轻、动作灵活、拆装方便和密封性好等优点，在热风炉系统和预热炉系统中得到广泛应用，作为烟道阀、煤气切断阀、煤气燃烧阀、助燃空气切断阀、冷风阀等使用，在系统中起切断作用。
因其工作环境恶劣，阀板都需要有很好的强度，在阀板的优化设计过程当中，有很多早期的研究，其中从蝶阀本身结构出发对连杆蝶阀的结构分析，有对连杆蝶阀阀板结构进行优化设计，有对连杆蝶阀的流场受力分析的。
尽管这些研究都从各方面对连杆蝶阀进行了优化，进而增强了蝶阀的寿命和减小了其成本，但大多没有从蝶阀本身出发分析其材料使用情况。此次我们上海梦勰技术工程师着重对阀板的立板尺寸进行允许值内的优化研究，使阀板在保证强度的前提下具有更好的经济效益。
一、结构与受力分析
1、结构形式
某公司生产的连杆蝶阀如图1所示，主要由驱动装置、阀板、阀体、主轴、杆系部件组成。系统在工作状态时，阀板一直处于受力的状态，是磨损最快的零部件，所以连杆蝶阀的寿命取决于蝶阀中阀板的寿命[2]。阀板主要由横梁、立板、垫板、大圆盘钢板和座圈组成，如图2所示。
图1 连杆蝶阀
1.横梁；2.立板；3.垫板；4.大圆盘钢板；5.座圈
图2 阀板结构与受力分布
2、立板的受力分析
在阀门关闭的状态下，阀板要承受流体所有的压力，此时，立板虽然也处于流体的压力包裹之中，但与垂直于垫板方向上所受的力相比，其余方向上的力可以忽略不计。如图2所示，设作用在垫板、大圆盘钢板和座圈上的压强为P，蝶阀的工作压强P1≤0.26MPa，此处试验压强为1.5倍工作压强，即：
P=1.5P1=0.4MPa （1）
座圈外围半径为R（R=0.965m），则阀板沿垫板法线方向受力总和为：
F=PS=PπR2 （2）
由于阀板所受的压强全部由立板承受，对其等效处理可得到作用在立板上的力。用P1表示每一片立板承受的压强，S1表示立板底部的面积，立板宽度280mm、厚度40mm，由牛顿第三运动定律得：
（3）3、 结构分析选定
线性静态结构分析是计算在稳定的载荷作用下结构的效应，它是不考虑惯性和阻尼的影响。经典力学理论中，物体的动力学通用方程为：
（4）其中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度系数矩阵，{x}为位移矢量，{F}为力矢量。因为静力分析可以计算出固定不变的惯性载荷对结构的影响，以及近似为等价静力作用的随时间变化载荷，所以在线性静态结构分析时与时间无关，即位移{x}可由如下矩阵方程解出：
[K]{x}={F}（5）
其中假设[K]为一连续的常量矩阵，材料必须满足线弹性、小变形理论，允许包含非线性边界条件，{F}为静态加载到模型上的载荷，其不随时间变化，不包括惯性影响因素。
阀板在工作状态下受稳定的气压载荷，随时间变化可以近似为静态载荷，立板为包含非线性边界条件的线性结构，所以对立板的有限元分析可以用线性静态结构分析计算。
二、立板的有限元分析
1、立板实体模型的建立
SolidWorks拥有强大的实体建模功能，对立板的建模主要有两个步骤：一是绘制二维草图；二是拉伸草图生成实体。
在建模过程中要处理好单位的设置，保证SolidWorks和SolidWorksSimulation在运算时使用的单位一致，所以在建模过程中最好使用国际单位制“MKS”，模型如图3所示。
图3 固定约束和载荷
2、设置材料属性
立板的材料选择是Q235B，在SolidWorksSimulation应用材料中有与之对应的性能参数，弹性模量2.1e 11N/m2、泊松比0.28、屈服强度2.35e 8N/m2。
3、施加约束和载荷
由图1可以看出，立板是由销子连接到主动杆和辅助杆，主动杆和辅助杆再与主轴相连，所以在给立板施加约束时直接将固定约束定义在立板与销子接触的圆柱面上。而阀板所受的压强等效到立板上，即是将压强作用在立板与阀板接触的底部端面，如图3所示。
4、网格划分
网格划分是有限元分析中非常重要的一个环节，网格形式和网格单元形状的选取直接影响到运算结果的好坏。根据立板的结构特点和载荷类型选择实体网格，网格单元大小应不大于立板的最小壁厚值，相关网格模型信息见表1，网格划分模型如图4。
图4 网格划分
表1 网格信息
5、运行求解
网格化后的模型以大量线性方程组的形式出现在求解器中，SolidWorksSimulation可以为用户提供如下三种求解器：Di-rectSpace、FFE和FFEPlus。它们对于小问题的求解都是高效的，但各有侧重：
（1）计算机中可用内存越大，DirectSpace求解器的运算速度就越快。当模型中使用的材料弹性模量差异很大时（比如钢和尼龙），DirectSpace比FFE和FFEPlus的精度要高。
（2）如果选择了FFE结算器，则“使用平面内效果”，“使用弹簧使模型稳定”和“使用惯性卸除”选项不可用，FFE是不支持接触问题和厚外壳公式的。
（3）FFEPlus在处理自由度（DOF）超过100000时，速度比较快。它会随着问题的变大变得更有效率。
FFE是SolidWorksSimulation默认的求解器，运行求解得到立板的应力和位移变化量如图5和图6。
图5 应力云图
图6 位移云图
此时立板在厚度为40mm时所受的最大应力为1.35e 008N/m2，远小于屈服应力2.35e 008N/m2，最大变形量仅为0.1227mm，由于销轴与固体自润滑轴承之间有一定的设计间隙，所以这样的变形量，不会影响阀门的正常使用，立板处于允许的安全范围之内。
三、立板的优化设计
假设将立板的厚度设计由原来的40mm改为30mm，则其他条件相同的情况下，立板承受的压强P2为：
（6）
SolidWorks采用的是参数化建模，模型具有很好的再编辑功能，更改立板厚度后，只需要在SolidWorks中将立板拉伸深度更改为30mm，再次对立板进行分析求解便可，对应的应力和位移变化量如图7和图8。
图7 优化后应力云图
图8 优化后位移云图
从图中可知立板此时最大变形量只有0.1637mm，最大应力为1.75e 008N/m2，仍小于屈服应力，因此立板处于安全范围之内，不会影响阀门的正常运行。
设优化前后立板质量差为ΔM，则整个蝶阀系统在优化后的质量减少量为：
2ΔM=2ρΔV=2×7800×（5.4-4）×10-3=20.8kg （7）
阀板质量减少百分比为K=20.8÷83.4×100%=24.9%，大幅度的减轻了立板的重量。
四、结束语
通过SolidWorks及SolidWorksSimulation有限元分析模块成功地对阀板中的立板进行了受力分析，并根据分析结果对立板进行了适当的优化，优化后的经济效益在大批量生产的情况下是显而易见的，不仅节约了制造成本，而且使阀板更加轻便。
此方法大大缩短了产品的开发周期，简化了产品的设计过程，提高了技术人员的工作效率及设计的可靠性和完整性，具有很好的市场推广性。
SolidWorks技术哪家强？肯定得来上海找梦勰，我们为客户提供SolidWorks Electrical、Simulation全方面的解决方案。
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