热风阀阀体有限元分析在振动时效工艺中的应用

        焊接而成的Φ800衬里热风阀阀体焊接后需对阀体的进口法兰、出口法兰、长法兰和排污法兰进行加工，见图1。加工前需要对阀体进行振动时效处理，以消除阀体在焊接过程中，由于冷、热收缩不均匀以及金相组织转变的体积变化而产生的残余应力。

图1 阀体

        振动时效是在激振器所产生的激振力作用下在某一频率使阀体共振，产生足够的动应力从而使内部残余应力得到消除或匀化。确定振动时效工艺的技术关键是振动频率的选择、激振点及支撑点和振动时间的把握．当激振频率和振型为构件的某阶固有频率和振型时，才可以发生共振，获得较大振幅，相应的动应力也较大，降低残余应力的效果也较好［1］。
        1 有限元模型的建立
        根据阀体的结构特征，建立有限元模型时，以Solid45体单元划分法兰和外围板网格，采用PLANE77板单元划分焊缝网格。通过设置法兰与外围板相交边界的单元分段数，使体单元和板单元正确连接，共18923个单元，如图2所示。

图2 阀体有限元模型

        2 阀体的有限元分析
        由于振动一般低阶才能激振起来，从而引起共振，高阶难以激振［2］。所以对阀体的模态分析主要研究前3阶模态。阀体前3阶振型位移云图分别如图3、4、5所示。对振形图进行分析，模态分析主要结果如表1。

表1 模态分析主要结构

图3 阀体1阶模态振动位移云图

图4 阀体2阶模态振动位移云图

图5 阀体3阶模态振动位移云图

        谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时稳态响应的一种技术．分析的目的是计算结构在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线．应用振型叠加法对阀体进行谐响应分析，在图1所示A处施加F=F0cos（ωt）的简谐激振力，使激振力频率ω等于阀体各阶固有频率。通过改变作用力F的峰值F0，计算得到各阶固有频率下相应动应力的峰值。计算结果如图6所示。

图6 激振力峰值与动应力峰值的关系

        3 有限元分析在振动时效中的应用
        从材料的应力应变特性角度分析，振动时效消除残余应力的必要条件是动应力（激振力）和残余应力之和大于材料的屈服极限．若以σd表示动应力，σr表示残余应力，σs表示屈服极限，则振动时效消除残余应力的必要条件可表示为：σd+σr≥σs。在进口法兰取图1中所示的三点（以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示），用钻孔法测得振动时效前阀体的焊接残余应力列入表2。

表2 阀体振动前、后的残余应力（MPa）

        对焊接阀体进行振动时效，方案如下：
        振动时效设备为黑龙江海伦振动设备生产的普通型振动时效装置．由激振器、卡具、支承垫和控制部分四部分组成；
        振动参数的选择：根据上述有限元分析可知，在测试点Ⅰ处，在其一阶固有频率时对应的激振力的峰值F0=12.1KN，一阶固有频率f1=89.1HZ；
        支撑点和振动点的选择：将其出口法兰向下卧放，以三点软支撑出口法兰，在进口法兰对称取图1中的A、B两个激振点；
        振动时间：25min．
        为进一步验证振动时效消除残余应力的效果，对振动时效后的阀体仍然采用钻孔法测量残余应力，振动时效后的残余应力值列入表2。
        由表2可知：阀体振动时效后，相应测点的残余应力下降范围为40%－85%，构件关键部位总应力水平下降为72%，超过国家标准的规（UDCJ16JB/T5926－91中的规定30%），振动时效在消除阀体残余应力上符合要求。
        4 结论
        通过对热风阀阀体的有限元分析，研究了阀体激励力和动应力间的关系。为阀体振动时效中选择激振力的频率、振型和大小提供了依据，指导了阀体的消除焊接残余应力振动时效工艺的制定。
        参考文献：
        ［1］于保敏，黄站立．基于有限单元法的热风阀阀体模态和谐响应分析［J］．机械设计与制造，2005，（09）：108－109．
        ［2］毛文贵，李建华，傅彩明，等．基于模态分析的转鼓优化设计［J］．机械设计，2010，（06）：74－77．
        ［3］郭兰忠，李新勇．振动时效消除残余应力的机理及应用［J］．兰州工业高等专科学校学报，2005，（02）：39－42．