基于热固耦合的水下球阀应力评定及密封分析

发布时间：2017-09-13 04:25

  本文关键词：基于热固耦合的水下球阀应力评定及密封分析

  更多相关文章： 水下球阀 热固耦合数值仿真 应力分类 强度评定 密封分析

【摘要】：水下球阀是深水油气开发中的关键设备,其性能优劣对水下生产系统的生产作业起着至关重要的作用。由于水下球阀深水作业中工况恶劣,则其结构强度及密封性能必须可靠,保证其工作寿命内免维护。而国内水下球阀的研制工作处于刚刚起步的阶段,且国外对其实行技术保密,导致国内对水下球阀的研制水平还远落后于国外,因此对水下球阀关键技术的研究迫在眉睫。本文基于热固耦合数值仿真对水下球阀进行应力评定及密封分析,从而为国产水下球阀的研制提供技术支持。通过对水下球阀进行接触对设置、网格划分、边界条件确定及加载,计算得试验状态、安装调试状态及实际工作状态等3种受力状态中水下球阀主体结构及各关键承载件的压力应力和位移分布规律,结果表明各关键承载件的最大压力应力均小于各自材料的屈服强度极限,满足强度要求,再将3种状态下球阀各关键承载件中易强度失效的应力最大处的位置及其值汇总成表,为国产水下球阀的研究设计提供参考。考虑实际工作状态中热应力对水下球阀结构强度的影响,基于热固耦合数值仿真,对水下球阀进行热应力分析和耦合应力分析,得其热应力、温度场及耦合应力分布规律,结果表明：相比实际工作状态中水下球阀的压力应力结果而言,热应力对水下球阀结构强度的影响更大；前阀座、后阀座及堆焊层的最大耦合应力均大于各自的屈服强度极限,但这3者的最大耦合应力皆出现在结构不连续处的局部区域,只影响该处局部区域的结构强度,不会对其整体强度造成失效,则不能说明这3者强度失效,需根据分析设计中应力分类思想对这3者进行应力分类及强度评定。应力分类思想是“分析设计”的标志性设计思想,经过几十年的发展,ASME-Ⅷ.2规范已给出了一套完整的应力分析设计的原则,并列出了部分典型结构的分类结果表。但对于实际的工程问题,ASME-Ⅶ.2规范不一定能全部考虑到,而且规范只给出应力分类的原则和思想,没有给出具体的分类方法。因此,如何在掌握应力分类思想的基础上,运用一定技巧和方法对阀门设计中存在的工程问题进行应力分类和强度评定是阀门分析设计的核心也是难点。以水下球阀各关键承载件的耦合应力结果为基础,运用应力分类思想对其进行应力分类线的位置确定和应力结果的等效线性化处理,分解出薄膜应力和薄膜加弯曲应力,再进行应力分类。然后,分别采用应力分类思想中应力强度准则和Von Mises屈服准则对各自相应的应力结果进行评定,结果表明：应力强度准则所得评定结果相比较Von Mises屈服准则所得评定结果而言,远低于其自身的许用应力值；前阀座、后阀座及堆焊层的结构经Von Mises屈服准则评定,不满足强度要求,但经应力强度准则评定后,这3者的结构可满足强度要求。由此可见,应力分类思想使水下球阀的安全裕度明显提高,从而在结构强度得到满足的前提下,可节约加工成本,使设计更经济。通过建立水下球阀密封结构的有限元模型,并对其设置相应的接触类型、边界条件及加载,计算得其前阀座处密封面的密封比压分布规律,结果表明：密封面中环处密封比压大,内、外环小；密封面左右两侧密封比压大,下侧次之,上侧最小；最大密封比压位于密封面中环右侧,其值为145.43MPa,小于许用密封比压；密封面至少有82%区域面积上的密封比压大于必须密封比压,且小于许用密封比压,球阀前阀座处密封性能良好,可达到密封要求。
【关键词】：水下球阀 热固耦合数值仿真 应力分类 强度评定 密封分析
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE953
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.3 本文研究的主要内容15-16
• 第2章 水下球阀的压力应力分析16-30
• 2.1 有限元模型的建立16-18
• 2.2 接触对的设置18-19
• 2.3 边界条件的确定与载荷分析19-23
• 2.4 压力应力结果与分析23-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 水下球阀的热固耦合分析30-41
• 3.1 热应力分析30-36
• 3.2 耦合应力分析36-40
• 3.3 本章小结40-41
• 第4章 水下球阀的应力分类与强度评定41-55
• 4.1 常规设计与分析设计41-42
• 4.2 应力分类42-47
• 4.3 各类应力强度的评定准则47-49
• 4.4 各关键承载件的应力分类及强度评定49-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第5章 水下球阀密封面接触分析55-64
• 5.1 球阀密封工作机理55-57
• 5.2 有限元模型的建立57-58
• 5.3 接触对的设置58-59
• 5.4 边界条件的确定与加载59-61
• 5.5 密封比压结果分析61-63
• 5.6 本章小结63-64
• 第6章 结论与展望64-66
• 6.1 结论64-65
• 6.2 展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-71
• 个人简介71-72

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本文编号：841508