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旋启式止回阀的流场分析及结构优化
The flow field analysis and structure optimization of the swing check valve
曾红1,常学森?,魏松
ZENG Hong CHANG Xue-sen, WEI Song
(1辽宁工业大学机械工程与自动化学院,锦州121001:2.辽宁科技大学机械工程与自动化学院,鞍山114051)
摘要:利用Pro/E建立某型号旋启式止回的三维模型,将装配好的三维模型导入到 ANSYS有限元
分析软件中,建立结构静力学仿真分析有限元模型,分析该阀阀板在各个角度下的应力,变
形结果;建立计算流阻系数的有限元模型,计算该止回阀在多种开度下的流阻系数;建立流
固耦合分析有限元模型,并进行多开度工况下的流固耦合分析,得出板在各个开度的应力
和位移值,得出该阀工作时阀板的平衡状态,从而形成旋启式止回阀对结构优化方案。
关键词:止回阀;有限元;流固耦合
中图分类号:TP29
文献标识码:A
文章编号:1009-0134(2015)02(下)-0074-03
Doi:10.3969/j.ISsn.1009-0134,2015.02(下).22
0引言
止回阀是使用较为广泛的管道控制设备,它的可靠
性、节能性、制造和运行成本对于国民经济具有重要的
意义。在止回阀设计中,关于如何测算流阻,降低止回
阀的流阻,有效地进行止回阀水力矩的计算、止回阀各
个开度的非均布载荷情况和强度分析、密封副的分析和
计算等一直是设计中的难点。传统设计中一般采用试验
图1旋启式止回阀仿真装配模型
分析和查阅设计手册的方法,这不仅耗时较长,而且加件重新分组创建流体区域,如图2所示。
大了设计制造成本。
本文采用一种现代设计方法一有限单元法,对某型
号旋启式止回阀设计存在的强度、刚度、流阻和流态等
方面进行了全面的分析,对于实现阀门设计从经验设计
向科学设计逐渐过渡具有重要意义"。
1旋启式止回阀三维建模及装配
图2流体区域
旋启式止回阀由阀体,阀盖,阀板,密封圈,压
2.2阀板流场分析
板,摇杆六个零件组成,按照图纸要求利用三维造型软
件Pro/E对它们进行建模?。由于本设计需要对阀板进行
对流体区域进行网格划分,如图3所示。设置重
流固耦合计算后进行优化,所以需要计算阀板在多个开度
力加速度大小9.8ms2,方向Z向(重力方向);阀体材
下的流场及受力进行分析,因此在将阀板组件装入阀体组
料为钢;使用湍流模型,设置边界条件,入口速度为
件时,需要设置不同角度,这里先设置为45,为了确保
3m/s,出口压力为IMpa;设置表面粗糙度为0.000m,
流体流过阀体时保持稳定状态,需要在阀体入口及出口处
迭代步数设置为200。仿真分析后得收敛曲线如图4所
安装长度为10倍直径的管道,装配结果如图1所示。
示,中间截面的压力分布,如图5所示。
2阀板流场分析及流固耦合分析
2.1有限元模型建立
在Pro/E中打开组件,利用 ANSYS Workbench与Pro
E之间连接接口将组件导入 ANSYS12.0,将模型内各零
图3对流体域进行网划分
收日期:2014-08-14
基金项目:辽宁省教育厅资助项目(L2012216)
作者简介:曾红(1964-),女,广东连平人,教授,硕士,研究方向为机械CAD/CAE/CAM。
74】第37卷第2期2015-02(下)

?並旬や心
图4收敛曲线
图8阀板应力分布情况
计算完成后,查看分析结果得到阀板开度45°时阀
板所受重力和阀板在流体冲击形成的冲击力的合力在Z
方向(重力方向)合力为21.177N,所以阀板开度为45
时阀板不平衡,并且平衡角度还要小于45°。将Pro/E中
阀板的装配角度减小至30°重新计算,得阀板在Z方向
受力为4.9056N,方向依然向下,所以下一步计算时还
图5中间截面压力分布图
需将阀板开度减小。将阀板的装配角度减小至20°重新
査看分析结果,得到出口和入口的压力变化情况。计算,得阀板在Z方向受力为-28.435N,方向向上,由
出口压力为10000a,入口压力为1009148.6Pa,所以此结果可以得知,该阀板的平衡开度必定大于20°,所
出入口压力损失△P=9148.6Pa根据公式(1)计算阀门以下一步计算时需要将阀板开度适当增大。将阀板的装配
的流阻系数?
角度减小至22重新计算,得阀板开度在22°时,阀板在Z
2×△
方向受的合力为0.9307N,可见阀板所受合力相对于其自
重已经非常小,所以可以看作22”即为阀板在流场中平衡
时的开度。阀板不同开度受力及流阻系数如表1所示。
式中,(为流阻系数
表1各个角度的受力及流阻系数
△P为压差,kPa;
阀板开度
45°
30
20°
v为流速,m/s;
阀板受合力21.18N4.9N0.9307N-28.4N
p为密度,kg/m2。
阀门流阻系数0.002
0.0023
0.0028
0.0030
计算得到阀板开度为45°时的流阻系数为0.002。
2.3流固耦合分析
2.4结果分析
将模型中的阀体以及流体隐藏,只计算阀板,自动
阀板在开度为22°时在重力方向受力为0.9307N,
划分网格,如图6所示。添加约束、施加载荷,求解。方向与重力方向相同。阀板所受合力0.930N远小于阅
得到阀板变形量如图7所示。阀板的应力分布如图8所板的重力(大约为120N),因此,在管道内水流速度
示,由图可知,阀板的最大变形发生在阀板底部。
为3m/s时,阀板的平衡角度大约是22°。
3旋启式止回阀结构优化设计
由表1中分析计算结果可知,阀板的平衡时的开度
约为22°,这个开度较小,流阻系数也较大,因此该阀
应用到管路中时耗费的能量也比较大。而影响开度的因
素除了流体流速外,还与阀板自身的材料,密度以及结
构有很大关系,在本设计中,流体流速是一定的,所以
图6划分网格
就必需对阀板结构进行优化。
在阀板应力分析结果中,我们可知阀板在工作过程
中只有流体对其产生的力以及阀板自身的重力对计算结
果影响较大,所以对阀板结构进行优化时首先考虑减轻
阀板的自重。减小阀板的厚度。分别在零件图以及三维
模型中将阀板的厚度减去2mm,将初始厚度32mm,更
改为30mm,并将阀板的拱形部分厚度也减小2mm,由
图7阀板变形情况云图
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