阀门中法兰强度有限元分析及结构优化

发布时间：2020-03-30 04:10

【摘要】：闸阀是工业生产中最常应用的阀门之一。闸阀中法兰的强度与法兰泄漏之间有着极其密切的关系,对闸阀的安全运行起着至关重要的作用。闸阀中法兰属于非标法兰,由于缺乏可靠的设计方法,经常导致产品结构设计不合理,造成严重的安全隐患。同时,如果过分考虑结构强度,又会导致中法兰结构上的过于笨重,增加了生产制造成本。因此建立可靠的闸阀中法兰强度分析及结构优化方法,对于闸阀的设计、制造及安全使用均有重要意义。以高温高压下闸阀中法兰结构为研究对象,主要工作如下:(1)以稳态温度场与热-结构耦合为基础,研究了中法兰在预紧工况下和操作工况下应力应变的分布规律。结果表明:在两种工况下,中法兰整体及各零件的应力应变分布规律趋于一致,最大应力均发生在下法兰锥颈大端处。垫片密封面上的应力分布规律基本相同,呈现出“外紧内松”。其中,操作工况下由于内压与温度载荷的影响,使中法兰整体及各零部件的应力增大,而垫片密封面上的压应力有所下降,可见温度和内压对垫片的密封有很大的影响。(2)依据应力分类设计,对中法兰薄弱部位进行了强度分析;依据EN13445密封判断依据,对垫片的密封性能进行了校核。结果表明:闸阀中法兰在两种工况下强度和密封性都满足要求,结构尺寸有较大的安全裕量,可进一步为闸阀中法兰结构进行优化。(3)通过有限元方法分析了闸阀中法兰结构尺寸对强度的影响。将锥颈大端厚度、法兰环厚度、锥颈高度作为优化闸阀中法兰的因素。利用Workbench协同优化分析平台,设置法兰环厚度、锥颈大端厚度及锥颈高度三个结构参数为设计变量,闸阀中法兰的强度为约束,质量与最大应力为目标函数。从安全性和经济性的角度对闸阀中法兰进行了结构优化,在满足强度和密封性的前提下,得出了闸阀中法兰最优的结构尺寸,重量较优化前减轻了9.6%。(4)将优化前后的闸阀中法兰的强度及密封性进行了对比,结果表明:优化后法兰各路径上的应力强度比优化前有所提升,满足强度要求,材料力学性能得到了更充分利用;垫片密封面上压应力虽有下降,但满足密封要求。因此,优化后闸阀中法兰结构更紧凑、受力更均匀、生产成本更低,符合企业经济性的要求,为企业建立了闸阀中法兰结构优化的工程设计的方法。
【图文】：

楔式闸阀,法兰设计,巴赫,法兰螺栓

工程硕士学位论文计方法发展进程常生活中，闸阀是最常使用的阀门之一。当开或者全闭，，不能对流体进行流量的调节以行式与楔式。楔式闸阀的流道中心线与旁边运动形式，还可以分为明杆式和暗杆式闸阀好，并适用于各种压力、温度以及介质工况、化工、冶金、采矿、污水处理等工业领域为本文的研究对象闸阀中法兰）。

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图 2.1 中法兰剖面图法兰主要几何尺寸见表 2.5。表 2.5 模型主要几何尺寸模型部位符号尺寸（mm法兰环内径 A 150垫片内径 B 160法兰环外径 E 276栓中心圆直径 D 235锥颈大端厚度 F 20锥颈小端厚度 K 16锥颈高度 h 18.5法兰高度 H 155垫片外径 C 180
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH134

【参考文献】