连杆蝶阀流固耦合的应力场有限元分析

    1 概述

    连杆蝶阀（三杆阀）具有启闭迅速，蝶板开启时密封面垂直开启，密封副之间没有相对滑动的优点，特别适合于介质中含有固体颗粒的工况，如热风炉的烟道阀等。但蝶阀开启时传动杆件和蝶板都处于流道内部，流体流动时会产生局部阻力，且局部阻力的分布复杂。为了研究连杆蝶阀的流动阻力，以及流动时过流件的受力情况，本文采用有限元流体分析技术，应用Workbench软件研究了流动过程中的流场及流阻情况，同时对过流件的应力进行了流固耦合模拟，再现了阀门过流件的受力情况，为连杆蝶阀的设计提供了理论参考。

    2 工作原理

    连杆蝶阀由液压缸、曲柄、主轴、主动杆、蝶板、固定杆、连杆和阀体等零部件组成（图1）。液压缸与曲柄相连，曲柄与主轴相连，主动杆一端通过固定销与主轴相连，另一端连接到蝶板上，固定杆通过主轴同阀体实现固结。连杆一端与固定杆连接，另一端与蝶板连接。工作时，液压缸带动曲柄，曲柄带动主轴转动，主轴带动主动杆，主动杆带动蝶板转动，其中连杆在蝶板转动过程中起到调节作用。蝶板在开启瞬间即蝶板与阀门之间的角度为0°时为平动，平动一段距离后蝶板开始转动，轨迹变成弧线，直至蝶板全开（图2）。

1.液压缸2.曲柄3.主轴4.主动杆

5.蝶板6.固定杆7.连杆8.阀体

图1 连杆蝶阀三维实体模型

图2 蝶板运动轨迹

    3 流体控制方程

    流体在管路中流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。一般的可压缩流体守恒定律控制方程为

    质量守恒方程

        （1）

    动量守恒方程

       （2）

    能量守恒方程

        （3）

    式中 f———单位质量流体的质量力，m/s²

    e———内能，J

    ρ———密度，kg/m³

    υ·∇υ———迁移加速度，m/s²

    σ———应力张量，Pa

    k_h———导热系数，w/（m·°C）

    q———单位体积流体的热源，J

    4 流固耦合原理

    流固耦合分析即流体与结构的耦合分析。流体流动的压力作用于结构，结构将产生变形，而结构的变形又影响了流体的流道，因此是相互作用的问题。流固耦合分析分为单向流固耦合分析和双向流固耦合分析。单向流固耦合常用于流体对结构作用后，结构变形不大即流体的边界形貌改变很小，不影响流体分布的情况。反之，若结构的变形对流体分布影响很大则需要进行双向流固耦合分析。

    5 流场分析

    建立流体部分的模型。因为在Workbench中分析的模型必须是开放的，所以将流体域以实体圆柱形式呈现，并与阀体进行布尔运算得到实际的流体域，将其导入到ANSYSWorkbench的流体分析模型中，根据现场工况，设置介质为500℃，入口边界条件为介质平均流速20m/s，出口相对压力为0Pa，求解运算得到流场的压力云图（图3）。

图3 10°时流场压力云图

    通过流场的压力云图计算流阻系数K，流阻系数是用来衡量流体流经阀门造成压力损失大小的指标，可以衡量流体通过阀门后主要的功率消耗，是一个无量纲系数。

    K=2ΔP/V²ρ     （4）

    式中 K———流阻系数

    ΔP———阀门的压力降，MPa

    ρ———流体密度，kg/mm³

    V———平均流速，mm/s

    通过分析得到各开度的压力差，进而求得各开度的流阻系数（图4）。流阻系数随着开度的增加而减小，开度为0°时为最大值0.25，开度60°后阀门的压降ΔP较小，流阻系数趋于平稳且数值接近于0。在流体的作用下，蝶板位置发生变化呈现过开状态，导致了开度为90°时的流阻系数大于85°时的流阻系数。

图4 各开度下蝶阀的流阻系数

    6 流固耦合分析

    应用ANSYSWorkbench平台对蝶阀进行单向流固耦合分析。首先将流场分析得到的压力结果作为载荷施加到阀门上（图5）。可以看出，蝶板中心区域压力最大，这就说明流体流经阀体时蝶板中心位置的冲击力最大，整个蝶板的压力从中心向外成扩散状逐渐减小。由于阀体底部固定在地基上，对阀体底部施加固定约束。主轴只在液压缸的带动下转动，所以对主轴添加三个方向的位移约束和两个方向的转动约束。蝶板表面与流体接触设置为耦合面，固定杆表面与流体接触为耦合面，经过分析整个阀体共有187个耦合面。对阀门每隔5°共19个开度进行流固耦合分析，并对阀门的最大应力进行曲线拟合（图6）。整体上阀门的最大应力随着开度的增加而降低，其最大值出现在0°位置，但在20°位置出现突增现象，开度达到60°之后阀门所受最大应力值趋于平稳。

图5 蝶板开度为10°时的压力导入结果

图6 各开度下蝶阀的最大应力变化曲线

    根据蝶阀的von－Mises应力云图（图7）分析，阀门所受应力主要集中在固定杆及主动杆周边，其中最大应力出现在支撑主轴的阀体上。但当蝶板开度为70°、75°和80°时，最大应力出现在了主动杆上。当蝶板达到全开状态时，最大应力出现在连杆上。

图7 蝶板开度为10°时的von－Mises应力云图

    7 结语

    应用Workbench进行流场分析，得到了不同开度时的流阻系数。模拟结果表明流阻系数随开度的增大而减小，达到全开状态后由于结构变形会导致蝶板过开，流阻系数有所增加。流固耦合分析结果表明，随着开度的增加阀门所受应力减小，开度为20°时有小幅增加。最大应力一般发生在支撑主轴的阀体上。只有开度为70°、75°、80°时最大应力出现在主动杆上。全开状态下的最大应力出现在连杆上。