全焊接球阀阀体应力分析与评定

摘要

随着科学技术的不断进步和制造水平的不断提高，阀门的生产也在向着高温、高压、大口径、高密封等高参数方向发展，同时也希望阀门的制造在充分保证安全性的前提下，尽可能做到经济性。
　　对于高压大口径的全焊接球阀，若按原有的以经验公式为基础的“常规设计”方法(Design by Rules)进行设计，其口径超出了常规设计的经验公式的适用范围，只能依靠实验研究，进行对比分析设计，这样会导致成本提高和设计周期延长，而设计出的产品虽然可以保证安全性，但却不能保证经济性。
　　“分析设计”方法(Design by analysis)与有限单元法(Finite Element Analysis)是现代结构分析中的重要手段。由于失效准则的选取不同，“分析设计”方法与有限单元法考虑到局部应力对整体应力的影响，并且根据引起应力的原因将应力进一步分类判定，在保证强度的前提下，放宽了应力的限制条件，对大口径阀门而言，将大幅度节省材料，降低成本。本文将NPS56 Class900的全焊接球阀为例:
　　首先，采用分析设计方法，通过弹性力学、板壳理论的基本公式，对阀体危险截面的应力进行分析，并确定了应力与壁厚之间的计算关系，将应力分析所得结果进一步划分为一次薄膜应力Pm，一次弯曲应力Pb和二次应力Q，根据JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》中的判定要求对各类应力强度进行限制。在满足各类应力强度的条件下，确定了阀体壁厚。
　　其次，根据计算所得壁厚，应用有限元的方法，采用ANSYS Workbench软件，对阀体进行工作状态下的数值模拟计算。对运算结果中应力集中处的应力进行应力线性化处理，从而得到各类应力，加以判定，验证“分析设计”方法所得壁厚是否符合强度要求。
　　最后，将通过“分析设计”准则所得壁厚与按“常规设计”准则确定的壁厚进行比较，以体现“分析设计”方法与有限单元法在阀门设计中的优越性。

目录

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摘要

插图索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 全焊接球阀的应用

1．1．2 应力分析的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 全焊接球阀的发展

1．2．2 应力分析理论现状

1．2．3 全焊接球阀设计中的应力分析

1．3 研究内容

1．4 本章小结

第2章 应力分类与强度评定

2．1 压力容器设计规范介绍

2．1．1 “常规设计”规范(Design by rule)

2．1．2 “分析设计”规范(Design by analysis)

2．2 应力分类简介

2．2．1 一次应力

2．2．2 二次应力

2．2．3 峰值应力

2．3 应力分类法原理

2．4 应力分类评定

2．5 应力分类方法

2．5．1 应力线性化法

2．5．2 一次结构法

2．6 全焊接球阀的应力分类

2．7 本章小结

第3章 有限元分析方法

3．1 有限元分析介绍

3．2 常用有限元分析软件

3．2．1 LS-DYNA软件

3．2．2 DYTRAN软件

3．2．3 ABAQUS软件

3．2．4 ADINA软件

3．2．5 NASTRAN软件

3．2．6 ALGOR软件

3．2．7 COSMOS软件

3．2．8 ANSYS软件

3．3 发展趋势

3．4 运用Workbench分析阀体应力

3．5 本章小结

第4章 分析设计法计算全焊接球阀阀体应力

4．1 阀体计算模型简化处理

4．1．1 阀体结构分析

4．1．2 阀体受力分析

4．1．3 结构及受力简化

4．2 危险界面的内力与变形分析

4．3 危险截面边缘解分析

4．3．1 球壳边缘位移分析

4．3．2 筒体边缘位移分析

4．4 阀体应力计算

4．5 本章小结

第5章 实例分析

5．1 全焊接球阀阀体参数

5．2 按“常规设计”分析计算阀体壁厚

5．3 按“分析设计”分析计算阀体壁厚

5．3．1 弹簧密封力FM计算

5．3．2 危险截面应力分析

5．4 数值模拟应力分析

5．4．1 前置处理

5．4．2 计算求解

5．4．3 后置处理

5．5 结果对比分析

5．5．1 阀门安全性评定

5．5．2 阀门经济性评定

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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