阀门外密封结构中金属膜片的力学行为分析

http://www.chinacae.cn第20卷第1期2011年3月计算机辅助工程ComputerAidedEngineeringVol.20No.1Mar.2011文章编号:1006－0871(2011)01-0121-03阀门外密封结构中金属膜片的力学行为分析余绍蓉，徐兵，王军(中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900)摘要:针对阀门的小型化设计，采用数值模拟方法研究阀门外密封结构中关键部件金属膜片的力学行为规律，包括:在轴向力和高压联合作用下，3层金属膜片的应力情况和变形情况;在有效密封前提下，金属膜片的层数与轴向力和最大等效应力的关系.分析结果可为阀门和金属膜片的设计提供指导.关键词:阀门;密封结构;金属膜片;力学行为;有限元法中图分类号:TG113.25;TB115.1文献标志码:AMechanicalbehavioranalysisonmetaldiaphragmofoutersealstructureofvalveYUShaorong，XUBing，WANGJun(InstituteofSystemsEngeering，ChinaAcademyofEngineeringPhysics，Mianyang621900，Sichuan，China)Abstract:Astotheminiaturizationdesignofvalve，themechanicalbehaviorsofthementaldiaphragm，whichisoneofthemainpartsoftheoutersealstructureofvalve，isstudiedbyusingnumericalsimulationmethod.Thestressanddeformationofthree-layermentaldiaphragmisanalyzedundertheeffectofaxialforceandhigh-pressure.Ontheconditionofeffectiveseal，theimpactofthelayernumberofmentaldiaphragmonaxialforceandmaximumequivalentstressisanalyzed.Theresultcanprovereferencesforthedesignofvalveandmentaldiaphragm.Keywords:valve;sealstructure;mentaldiaphragm;mechanicalbehavior;finiteelementmethod收稿日期:2010-08-17修回日期:2010-10-14作者简介:余绍蓉(1974—)，女，重庆人，高级工程师，硕士，研究方向为复杂结构系统静力学仿真分析，(E-mail)yusr@caep.ac.cn通信作者:徐兵(1970—)，男，重庆人，高级工程师，研究方向为复杂结构系统静力学仿真分析，(E-mail)xub@caep.ac.cn0引言阀门外密封结构是阀门小型化设计的关键，金属膜片(以下简称膜片)是外密封结构的主要零件之一.目前报道阀门膜片力学行为数值模拟的文献较少，巫宗萍等［1］和张征明等［2］分析波纹管力学行为;张征明等［3］和马洪涛等［4］进行大型阀门有限元分析;柳学胜等［5］和李广田等［6］分析阀体材料力学特性，但这些研究中的阀门结构形式、材料与本文所研究的差异较大.本文采用数值模拟方法研究轴向力和内压联合作用下膜片的力学行为规律并分析膜片层数等对其力学行为的影响.1有限元模型阀门外密封结构示意见图1.膜片上部(外部)由支撑块和压头组成.当膜片下部充入高压气体时，气体压力由膜片、支撑块和压头共同承受.周边焊接可达到外密封的要求.当轴向力N作用于压头时，膜片在压头作用下克服高压气体影响产生变形;一http://www.chinacae.cn旦轴向力N消失，膜片在高压气体作用下将恢复到原位.图1阀门外密封结构示意Fig.1Theoutersealstructureofthevalve根据结构的特点和所关心的问题，将图1所示结构简化为二维轴对称有限元模型，见图2.图2简化的二维轴对称有限元模型Fig.2Thesimplifiedaxisymmetricfiniteelementmodel模型中，压头与支撑块以及膜片与支撑块和阀体在焊接部位固连;其他部件可按接触处理.采用ANSYS分析，在有限元分析过程中，采用罚函数方法分析该接触非线性问题，阀门密封的判定条件为“密封面上的接触压应力不小于构成接触面单元软材料(镀金)屈服强度的2倍”［7］.坐标轴定义阀门径向为x轴，轴线方向为y轴，在阀座处施加约束.载荷为气体压力P和轴向力N.有限元分析中使用到的材料力学