文档介绍：球阀的密封性能是指密封面上的密封比压。在工程计算中通常取密封面的平均直径来近似地计算密封比压,因而这种近似不能真实地反映密封面密封比压的分布情况。计算机数值分析技术的发展,对密封面密封比压的精确求解成为可能,本文以浮动球阀为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS WorkBench来分析模拟工况下球阀的密封比压分布情况,并计算得出了接触状况下球阀密封面上的比压。
一、球阀密封模型的建立
    1、密封模型分解和简化
    浮动球阀的密封简图如图1所示。球阀密封结构一般由钢制球体和阀座构成,其密封机理为:依靠球体和阀座的紧密接触,使密封座表面产生弹塑性变形,形成一定的密封比压,从而达到密封效果。如果密封比压太小,则密封座表面的塑性变形不足而达不到密封要求。因此,可以将所研究的密封结构分解为密封圈和密封座,将密封座简化为刚性件,由于球体的刚性较大,T形槽对分析影响不大,故将球体模型简化为球形,同时由于浮动球阀是出口侧密封,故只分析球体一侧的密封性能。
图1 浮动球阀受力简图
    2、密封模型的建模步骤
    (1)建立实体模型
    启动ANSYS WorkBench程序,选择Geome-try,进入建模界面,生成实体模型用有限元分析软件ANSYS WorkBench建立球阀的密封模型如图2所示。
图2 球阀密封模型的简化图
    (2)设置环境变量
    根据球阀的密封结构,可设置阀座外侧面沿X轴方向的位移为0,沿Y轴、Z轴方向的位移不受限制;设置阀座外端面沿Y轴、Z轴方向的位移为0,沿X轴方向的位移不受限制。
    在球体上与阀座对称的单位面上施加压力,对于相同约束条件下的平面接触,曲面接触,曲面连接施加压力。设置好的环境变量如图3所示。
图3 球阀密封模型环境变量的设置
    (3)网格划分
    系统对模型进行自动网格划分。选择的网格精度越高,得出节点的压应力值越多,结果也越精确,因此接触面的网格密度比其他处要大得多,这样保证得到精确的接触分析结果又不至于浪费计算时间,如图4所示,阀座内侧的网格精度较大。
图4 网格划分
二、计算及结果分析
    求解接触密封问题的方法主要有有限元法、边界元法、数学规划法以及形状优化法等,在工程计算中用边界元法,数学分析和形状分析方法分析密封面上的密封比压,计算繁琐而不易得出结果,但是有限元分析法可以计算模拟工况下球阀的密封比压,操作简单易行。
    在有限元分析软件ANSYS WorkBench下,按照以上简化模型和环境参数,利用接触分析工具对球阀密封面的密封比压进行求解。
    以浮动球阀为例,金属密封圆环直径D=30mm,温度为22℃,密封面材料选聚四氟乙烯且密封面间无滑([q]=20MPa),