船用球阀的静力学有限元分析能源与动力工程(附件)【字数：12742】
摘 要摘 要 随着科学技术的发展，球阀的使用范围越来越广泛，球阀已经被应用到人类生活中的各个领域。相比于其他类型的阀门,球阀的结构更加简单、体积和其他类型的阀门相比也相对较小、重量较轻，便于移动。球阀的密封性能好，不会轻易出现泄露的问题。密封性能对于球阀是十分重要的，而球阀的球体，阀杆对密封性能起着决定的作用。本文基于有限元分析法，对球阀核心部件进行静力学分析。先利用PRO/E建立Q41F浮动球阀的球体，阀杆的三维模型，将模型文件保存为IGES文件，再将模型导入ANSYS中，使用合适的材料，对模型进行网格化，施加合理的边界条件，进行分析计算。通过ANSYS计算力学分析，分析设计的模型是否符合。计算结果表明通过比较模型受到的最大Mises应力与屈服应力的大小，阀杆用40Cr、球体用347不锈钢性能较好。球阀可以在设定工况正常工作，材料不会失效。关键词球阀；有限元分析；静力学分析
目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 阀门的现代设计方法 4
1.4 本文的研究内容 4
第二章 球阀有限元静力学分析基础 6
2.1 结构静力学分析概述 6
2.2 有限元法的分析过程 6
2.2.1 有限元法在结构分析中的应用 7
2.3 软件介绍 7
2.3.1 PRO/E介绍 7
2.3.2 ANSYS软件简介 8
第三章 船用球阀的工作原理和实体建模 10
3.1 球阀的工作原理 10
3.2 球阀的分类 10
3.3 模型的建立 11
3.3.1 用PRO/E建立阀杆模型 12
3.3.2 用PRO/E建立球体模型 12
第四章 球阀的静力学分析 14
4.1 阀杆的有限元分析 14
4.1.1 将阀杆模型导入ANSYS中 14
4.1.2 对阀杆进行网格划分 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.1.3 确定载荷和边界条件 16
4.1.4 求解 19
4.1.5 结果分析 21
4.2 304不锈钢球体的有限元分析 22
4.2.1 将球体模型导入ANSYS中 22
4.2.2 球体网格化 22
4.2.3 确定载荷和边界条件 24
4.2.4 分析结果 26
4.2.5 球体受到3MP压力的情况 28
4.3 45号钢球体分析 30
4.3.1 当球阀在设定工况下工作 31
4.3.2 当球阀在3MPa工况下工作 33
4.4 347不锈钢球体分析 34
4.4.1 当球阀在设定工况下工作 35
4.4.2 当球阀在3MPa工况下工作 37
4.5 分析总结 38
总结 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 选题的目的和意义
随着世界科技的飞速发展，球阀近几年被使用的越来越多。我们可以通过控制球阀的开和关就可以控制流体的流动或者不让流体流动。球阀的优点是：相对于其他类型的阀门来说，球阀的结构更加简单、体积和其他类型的阀门相比也相对较小、重量较轻，便于移动。球阀的密封性能好，不会轻易出现泄露的问题。球阀的结构简单，没有太多的复杂的结构，一旦球阀出现故障，可以快速的拆修零件，所以进行维修也比较方便。最重要的是球阀的应用范围十分宽广，可以安装在小尺寸的管道上或安装在大通径的管道中，球阀的工作环境可以是真空的工况，也可以是高温高压的环境。正是球阀有这么多的优点，球阀逐渐的取代了其他类型的阀门，占据了主导的地位，球阀被世界上很多国家广泛的使用，被广泛的使用在船舶，液化气等领域，在不久的将来，球阀的的使用范围会变得越来越广泛[1]。
球阀的制造过程包括了，先设计和绘制好球阀的图纸，再通过小批量制造球阀，再通过实验验证球阀是否合格，再对其缺点进行改进。但是这样的工序导致生产球阀缓慢，加工的成本很高，浪费的人力和物力较多。
我们要想制造出新型的、高性能的、使用寿命长的球阀，我们应该优化球阀的内部结构、使用高性能材料，使球阀的性能更好，从而达到我们的要求[2]。此外，随着人们对产品性能的要求越来越高以及热动力系统复杂程度的提高，近些年来出现的多学科设计优化为球阀设计优化提供了新的研究思路。为此，采用计算机辅助工程设计方法（如有限元静力学分析分析方法）对新型球阀进行了性能分析与关键技术研究，其研究结果对于球阀研发具有十分重要的指导意义。
1.2 国内外研究现状
阀门的发展具有很长久的历史渊源，根据历史学家所发现的所有阀门来看，最早使用阀门的是4000年前的在尼罗河附近的古埃及人。中国最早使用阀门可以追溯到公元前2000年以前，用竹管作为输水管道，在竹管上使用木塞阀从而控制水的流动。后来随着科学技术的进步，又陆续出现了水闸，板式止回阀，铜制和铅制旋塞阀[34]。随着在1681年锅炉的出现和使用，人们有发明了杠杆重锤式安全阀。在1769年以前，旋塞阀和止回阀被人们广泛的使用。随着蒸汽机的出生，人们进入蒸汽时代，加速了工业化的进程，旋塞阀、安全阀、止回阀已经满足不了人们的需求，还需要一种阀门用来调节流量，蝶阀的发明满足了时代的需求。随着蒸汽流量和压力的增大，旋塞阀已经满足不了时代的需要，人们又发明了滑阀。1840年又出现了带螺纹阀轴的截止阀和带梯形螺纹阀轴的楔式闸阀，这两类阀门不但可以调节流量，而且可以在高温高压的条件下工作，这两类阀门对人类的进步有非常重要的作用。蝶阀同时具有切断、调节和止回三种功能，被应用到烟道、烟囱的使用当中。1967年在法兰克福举办的“国际化工展览（CHEMA）”展出了一种高性能的蝶阀，这种高性能的蝶阀具有密封性能良好，密封副之间的摩擦小，结构简单、便于维修和检修。蝶阀有这么多的优点，使高性能蝶阀的应用范围被不断扩大，但是蝶阀的开关的力矩比较大。还有蝶阀在正流状态，关闭蝶阀的力矩较小，但打开蝶阀的力矩比较大。在逆流的状态下，打开蝶阀的力矩比较小，但关闭蝶阀的力矩比较大。研究人员为了解决这一问题，最终的方法就是增加传动机构，这就使阀门结构变得复杂化，从而导致可靠性降低，增加了成本。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 阀门的现代设计方法 4
1.4 本文的研究内容 4
第二章 球阀有限元静力学分析基础 6
2.1 结构静力学分析概述 6
2.2 有限元法的分析过程 6
2.2.1 有限元法在结构分析中的应用 7
2.3 软件介绍 7
2.3.1 PRO/E介绍 7
2.3.2 ANSYS软件简介 8
第三章 船用球阀的工作原理和实体建模 10
3.1 球阀的工作原理 10
3.2 球阀的分类 10
3.3 模型的建立 11
3.3.1 用PRO/E建立阀杆模型 12
3.3.2 用PRO/E建立球体模型 12
第四章 球阀的静力学分析 14
4.1 阀杆的有限元分析 14
4.1.1 将阀杆模型导入ANSYS中 14
4.1.2 对阀杆进行网格划分 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.1.3 确定载荷和边界条件 16
4.1.4 求解 19
4.1.5 结果分析 21
4.2 304不锈钢球体的有限元分析 22
4.2.1 将球体模型导入ANSYS中 22
4.2.2 球体网格化 22
4.2.3 确定载荷和边界条件 24
4.2.4 分析结果 26
4.2.5 球体受到3MP压力的情况 28
4.3 45号钢球体分析 30
4.3.1 当球阀在设定工况下工作 31
4.3.2 当球阀在3MPa工况下工作 33
4.4 347不锈钢球体分析 34
4.4.1 当球阀在设定工况下工作 35
4.4.2 当球阀在3MPa工况下工作 37
4.5 分析总结 38
总结 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 选题的目的和意义
随着世界科技的飞速发展，球阀近几年被使用的越来越多。我们可以通过控制球阀的开和关就可以控制流体的流动或者不让流体流动。球阀的优点是：相对于其他类型的阀门来说，球阀的结构更加简单、体积和其他类型的阀门相比也相对较小、重量较轻，便于移动。球阀的密封性能好，不会轻易出现泄露的问题。球阀的结构简单，没有太多的复杂的结构，一旦球阀出现故障，可以快速的拆修零件，所以进行维修也比较方便。最重要的是球阀的应用范围十分宽广，可以安装在小尺寸的管道上或安装在大通径的管道中，球阀的工作环境可以是真空的工况，也可以是高温高压的环境。正是球阀有这么多的优点，球阀逐渐的取代了其他类型的阀门，占据了主导的地位，球阀被世界上很多国家广泛的使用，被广泛的使用在船舶，液化气等领域，在不久的将来，球阀的的使用范围会变得越来越广泛[1]。
球阀的制造过程包括了，先设计和绘制好球阀的图纸，再通过小批量制造球阀，再通过实验验证球阀是否合格，再对其缺点进行改进。但是这样的工序导致生产球阀缓慢，加工的成本很高，浪费的人力和物力较多。
我们要想制造出新型的、高性能的、使用寿命长的球阀，我们应该优化球阀的内部结构、使用高性能材料，使球阀的性能更好，从而达到我们的要求[2]。此外，随着人们对产品性能的要求越来越高以及热动力系统复杂程度的提高，近些年来出现的多学科设计优化为球阀设计优化提供了新的研究思路。为此，采用计算机辅助工程设计方法（如有限元静力学分析分析方法）对新型球阀进行了性能分析与关键技术研究，其研究结果对于球阀研发具有十分重要的指导意义。
1.2 国内外研究现状
阀门的发展具有很长久的历史渊源，根据历史学家所发现的所有阀门来看，最早使用阀门的是4000年前的在尼罗河附近的古埃及人。中国最早使用阀门可以追溯到公元前2000年以前，用竹管作为输水管道，在竹管上使用木塞阀从而控制水的流动。后来随着科学技术的进步，又陆续出现了水闸，板式止回阀，铜制和铅制旋塞阀[34]。随着在1681年锅炉的出现和使用，人们有发明了杠杆重锤式安全阀。在1769年以前，旋塞阀和止回阀被人们广泛的使用。随着蒸汽机的出生，人们进入蒸汽时代，加速了工业化的进程，旋塞阀、安全阀、止回阀已经满足不了人们的需求，还需要一种阀门用来调节流量，蝶阀的发明满足了时代的需求。随着蒸汽流量和压力的增大，旋塞阀已经满足不了时代的需要，人们又发明了滑阀。1840年又出现了带螺纹阀轴的截止阀和带梯形螺纹阀轴的楔式闸阀，这两类阀门不但可以调节流量，而且可以在高温高压的条件下工作，这两类阀门对人类的进步有非常重要的作用。蝶阀同时具有切断、调节和止回三种功能，被应用到烟道、烟囱的使用当中。1967年在法兰克福举办的“国际化工展览（CHEMA）”展出了一种高性能的蝶阀，这种高性能的蝶阀具有密封性能良好，密封副之间的摩擦小，结构简单、便于维修和检修。蝶阀有这么多的优点，使高性能蝶阀的应用范围被不断扩大，但是蝶阀的开关的力矩比较大。还有蝶阀在正流状态，关闭蝶阀的力矩较小，但打开蝶阀的力矩比较大。在逆流的状态下，打开蝶阀的力矩比较小，但关闭蝶阀的力矩比较大。研究人员为了解决这一问题，最终的方法就是增加传动机构，这就使阀门结构变得复杂化，从而导致可靠性降低，增加了成本。
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