在中高壓法蘭蝶閥的設計過程中，對重要部件-閥體進行有限元分析是現代閥門設計的主要方法。這里采用SolidWorks中集成的有限元分析軟件COSMOS，通過實例詳細的介紹了用COS-MOSXpress及COSMOSWorks，對中高壓法蘭蝶閥閥體結構強度進行有限元分析的過程。得到的計算分析結果與實測數據相近，驗證了有限元分析的正確性。

1、引言

　　法蘭式蝶閥被大量應用在各行各業的工業管道上，法蘭蝶閥主要由閥體、蝶板、閥軸、驅動裝置等組成，當蝶閥工作壓力在中、高壓范圍時(PN2.5～80MPa)，蝶閥的閥體內部承受的壓力較高。現代的閥門設計中，蝶閥除了按設計標準及規范進行設計外，還需對閥體進行有限元分析計算。

　　介紹了依據通用閥門壓力試驗國家標準GB/T 13927-2008，對常溫下的中高壓法蘭蝶閥的閥體進行靜壓條件下的強度分析，以及在額定工作壓力條件下產生的應力進行有限元分析，并根據有限元分析結果，按照美國ASME鍋爐及壓力容器規范(國際性規范)第Ⅷ卷第二冊《壓力容器建造另一規則》中的強制性附錄4《以應力分析為基礎的設計》，對有限元計算結果進行了分析討論和強度驗證，同時也通過對產品的實測驗證了有限元分析的結果。

2、分析軟件選用

　　CAE分析工具軟件能夠幫助產品設計師進行產品的可制造性分析或者改進設計環節，當前專門用于有限元分析的軟件有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC，但由于這些專業分析軟件與CAD脫節很嚴重，即機械CAD功能相對較差，往往難以完成復雜模型的建模、出工程圖等設計工作，且對操作人員的要求也很高，只有專業的分析師才能使用，因此限制了在企業中的應用。而SolidWorks軟件擁有功能強大的機械CAD功能，并具有功能完善的應用插件，其中系統提供的分析產品COSMOS，包括了一系列分析應用軟件，如COSMOS Works有限元分析軟件、COSMOS Xpress點擊式分析向導等，并嵌入SolidWorks Office Premium中。集成到SolidWorks平臺下的COSMOS，解決了單獨環境下CAE在前后處理方面的問題，同時還繼承了SolidWorks易學易用的特點。

　　應用SolidWorks軟件，可在產品設計的過程中進行分析，并可根據分析結果，及時調整設計參數，可節省材料成本及開發成本，提高產品質量，大大加快產品上市速度。本文選用SolidWorks軟件，對中壓法蘭蝶閥的閥體進行有限元的分析。

3、利用COSMOS Xpress進行強度分析

3.1、確定材質

　　在COSMOSXpress中指定閥體的材質為鑄造碳鋼，WCB鑄造碳鋼的力學性能參數，如表1所示。

表1 法蘭蝶閥閥體材質WCB力學性能參數

3.2、定義約束條件

　　根據法蘭蝶閥的工作條件，法蘭蝶閥工作時是通過兩端的法蘭與管路連接，由蝶閥和管路上的法蘭密封水線部位加密封墊后，再通過螺栓旋緊連接。其約束在法蘭密封水線所在的平面和受螺栓軸向力作用的法蘭內側平面。當定義約束條件時，COS-MOSXpress會自動添加到法蘭整個外端面，此時應根據實際約束情況，對約束的部位進行重新編輯，如圖1所示。

圖1 定義約束條件

3.3、加載載荷

　　法蘭蝶閥在液體靜壓力狀態下，閥體內部作用力垂直作用在閥體的內壁上，根據國家標準GB/T 13927-2008的靜壓強度試驗條件，試驗壓力為額定工作壓力的1.5倍，添加載荷到閥體內腔，如圖2所示。

圖2 加載載荷

3.4、仿真分析

　　通過以上參數設置，運行分析后，得到分析結果，如圖3所示。從中可以得出此法蘭蝶閥閥體的最低安全系數為3.97461，此安全系數大于3，閥體壁厚尺寸及結構設計合理，不需要對閥體的結構參數進行優化設計。

圖3 COSMOS Xpress分析結果

4、利用COSMOS Works進行有限元分析

4.1、蝶板開啟狀態下

4.1.1、靜壓力下

　　與采用COSMOS Xpress分析時相同，對法蘭蝶閥閥體的進行材質設定，并根據蝶閥閥體工作狀態的分析，對約束進行定義(與圖1相同)、加載載荷6.0MPa(與圖2相同)，并劃分網格，得到23974個單元、41676個節點，如圖4所示。

圖4 對閥體進行網格劃分

　　運行COSMOSWorks，得到分析結果，如表2所示。

表2 靜壓力下蝶板開啟時COSMOSWorks分析結果

　　在蝶板開啟的靜壓力狀態下，此時閥體上產生的最大應力為301.4MPa，發生在閥體上部與上法蘭連接的部位，節點22251處，應力云圖，如圖5所示。

圖5 蝶板開啟時靜壓力狀態下的應力云圖

　　最大位移為0.015mm，發生在閥體上部與閥體承壓側法蘭連接的部位，節點33747處，位移云圖，如圖6所示。

圖6 蝶板開啟時靜壓力狀態下的位移云圖

　　按照美國ASME鍋爐及壓力容器規范(國際性規范)第Ⅷ卷第二冊《壓力容器建造另一規則》中的強制性附錄4《以應力分析為基礎的設計》，閥體受內壓時，內壁在壓力作用下向外產生變形，其最大應力點的等效應力為301.4MPa，此應力強度是由一次薄膜應力PL和一次彎曲應力Pb疊加而成，而根據設計規范，此應力強度不得超過試驗溫度下材料屈服強度σs的135%。WCB的σs為248.2MPa，計算得到：

　　248.2×1.35=335.34>301.4MPa

　　應力符合設計要求。

　　最大位移為0.015mm，由于WCB的延伸率較高，位移符合設計要求。

4.1.2、額定工作壓力下

　　在額定工作壓力下，并且蝶板開啟時，運行COSMOSWorks，得到分析結果，如表3所示。

表3 額定壓力下蝶板開啟時COSMOSWorks分析結果

　　在額定工作壓力下，蝶板開啟，閥體上產生的最大應力為200.9MPa，發生在節點22251處，應力云圖，如圖7所示。

圖7 蝶板開啟時額定工作壓力狀態下的應力云圖

　　最大位移為0.0098mm，發生在節點33747處，位移云圖，如圖8所示。

圖8 蝶板開啟時額定工作壓力狀態下的位移云圖

4.2、蝶板關閉狀態下

　　在額定壓力工作狀態下，當蝶板全關時，閥體的密封圈一側的承壓方向部分受載。此時的約束情況與圖1相同。不考慮水錘的影響，在閥體的密封圈承壓一側加載載荷，如圖9所示，并劃分網格，得到23974個單元、41676個節點。運行COSMOSWorks，得到分析結果，如表4所示。

圖9 在閥體密封圈承壓一側加載載荷

　　表4 額定壓力下蝶板關閉時COSMOS Works分析結果

　　最大應力為154.0MPa，發生在節點22251處，應力云圖如圖10所示。

圖10 蝶板關閉時額定工作壓力狀態下的應力云圖

　　最大位移為0.0095mm，發生在節點33747處，位移云圖，如圖11所示。

圖11 蝶板關閉時額定工作壓力狀態下的位移云圖

　　額定工作壓力下的強度條件為PL+Pb≤σs，最大應力154.0MPa<248.2MPa;最大變形位移為0.0095mm，可見最大應力與最大位移發生的位置與蝶板開啟狀態下完全相同，可見，此時應力及變形均符合設計要求。

5、實測結果比較

　　對實際產品進行應變實測，在閥體應力較大處貼電阻應變片，采用電測法并貼溫度補償片，組成單臂電橋進行測量，得到實測結果。COSMOS分析計算應力結果與實測應力結果，如表5所示。從中對比得出實測結果與計算結果比較接近。

表5 計算應力與實測應力對比

6、結語

　　通過采用COSMOSXpres及COSMOSWorks有限元分析，均可以得出該閥體應力及位移符合設計要求。按照國家標準及ASME以應力分析為基礎的設計規范進行分析討論，該閥體結構設計參數合理，閥體強度安全。該計算分析數據與實測數據誤差小于6%，實測結果與有限元計算結果比較接近，證明有限元分析是合理可行的。

　　需要注意的是，對閥體進行有限元分析還可能出現兩種結果，一是有限元分析的結果顯示閥體強度不夠，此時則必須立即更改閥體設計參數，重新建模，再進行分析，直至滿足要求為止。二是有限元分析結果顯示安全系數過大，則表示設計過于保守，在這種情況下，可調整閥體的結構參數，使其在滿足設計要求的前提下，結構更合理、重量更輕。但是，在根據COSMOS有限元分析結果進行設計參數的調整時，還要充分考慮到閥體材質、鑄造以及加工等多方面的影響，分析結果要留有合適的安全余量。

　　利用SolidWorks軟件以及集成的COSMOS有限元分析軟件，可方便的實現對重要部件的邊設計、邊分析，可根據設計及試驗規范，及時調整設計參數，得到最合理的結果，大大縮短了產品的設計開發周期。