【導(dǎo)讀】武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。本文根據(jù)已知的球閥設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)DN為250mm，設(shè)計(jì)壓力為2Mpa的球閥進(jìn)行。設(shè)計(jì)，主要包括了材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核等，在結(jié)構(gòu)和材料方面在滿

　　

【正文】 大的設(shè)計(jì)師們使用對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的三維模型進(jìn)行分析，其主要采用有限元分析方法進(jìn)行三維力學(xué)分析。 本章采用 ANSYS工程軟件對(duì)球閥的閥體進(jìn)行了有限元靜力結(jié)構(gòu)分析，并探討了球閥閥體結(jié)構(gòu)建模方法以及網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，其結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)優(yōu)武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 由于在 ANSYS 建模是十分重要的，但是直接在 ANSYS 中建模是十分困難的，所以我現(xiàn)在 soliderworks 中進(jìn)行三維建模，然后將模型導(dǎo)入 ANSYS 中進(jìn)行有限元分析。 ANSYS是集結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。 ANsYs能與大多數(shù) CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 PRO，E、 NAsTRAN、 Alogor、 I． DEAs、 AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD工具之一。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型 。 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片 顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 ANSYS提供的分析類型主要包括： 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變 化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。 ANSYS 可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 主要用于電磁場(chǎng)問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 ANSYS 流體單元能進(jìn)行流體動(dòng) 力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì) AC（交流）、 DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析 本章主要對(duì)閥體的結(jié)構(gòu)靜力進(jìn)行分析和優(yōu)化。 模型的導(dǎo)入和分析 模型的簡(jiǎn)化、導(dǎo)入和分析準(zhǔn)備 為了保證計(jì)算的精確性以及縮小不必要的計(jì)算范圍，我們可以將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后再導(dǎo)入 ANSYS 中進(jìn)行，在盡可能保證能反映閥體本身結(jié)構(gòu)特性的情況下，以便減少分析的復(fù)雜程度。在建立有限元計(jì)算模型時(shí)應(yīng)采用以下幾種 簡(jiǎn)化原則： 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 （ 1） 總體坐標(biāo)系的建立應(yīng)盡可能與球閥閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系一致； （ 2） 構(gòu)件表面光、順、滑，忽略球閥閥體各處過渡圓角和倒角； （ 3） 載荷分配。載荷的分配直接影響計(jì)算結(jié)果，所以我們要對(duì)重力進(jìn)行合理分配計(jì)算。 根據(jù)第二章中的閥體設(shè)計(jì)結(jié)果，在 soliderworks 中進(jìn)行三維建模，同時(shí)考慮到有限元計(jì)算模型的簡(jiǎn)化原則，將閥體中的對(duì)結(jié)果影響效果圓角和倒角去除后再導(dǎo)入 ANSYS。 將模型導(dǎo)入 ANSYS 后的第一步將球閥 前后 閥體的三維模型結(jié)構(gòu)模型化，即將其化為有限元計(jì)算模型，下圖在 ANSYS WORKBENCH 中轉(zhuǎn)化的球閥閥體模型 將模型導(dǎo)入 ANSYS 后，我們需要比較前后模型，確保其模型不應(yīng)發(fā)生扭曲、變形、丟面和多面的現(xiàn)象，為接下來的分析做準(zhǔn)備。 對(duì)球閥閥體進(jìn)行有限元分析時(shí)，必須要建立一個(gè)準(zhǔn)確的物理數(shù)學(xué)模型，模型應(yīng)包括所有的節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)、邊界條件，以及其它表現(xiàn)這個(gè)物理系統(tǒng)的特征。實(shí)體建模方法能夠直接和模型的幾何特性打交道，無需關(guān)注有限元模型特定的幾何特征，如節(jié)點(diǎn)、單元等。有限元模型是對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的數(shù)學(xué)表示方法。 模型的材料定義 將模型導(dǎo)入后，還需要對(duì)球閥閥體材料進(jìn)行定義，首先，本次 設(shè)計(jì)采用的球閥閥體材料為 HT200，本次選用的是三維實(shí)體單位需要定義材料的彈性模量“ E”和材料的泊松比“ ? ”。 HT200 的泊松比為 而其彈性模量為 130GPa ，密度為 7000 3/mkg ，將其輸入 ANSYS 中如下圖所示。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 31 邊界條件設(shè)置 模型的加載和邊界條件的確定 在對(duì)模型的材料定義后，接下來就是對(duì)載荷的輸入和邊界條件的確定，這是有限元處理前的重要準(zhǔn)備部分。在 對(duì)球閥閥體進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析時(shí)，我們需要考慮兩中載荷：慣性載荷和強(qiáng)迫位移載荷。慣性載荷有閥體本身產(chǎn)生，而強(qiáng)迫位移載荷是由閥體在工作時(shí)產(chǎn)生的。在 ANSYS 中可以方便的輸入載荷的大小和方向。 閥體的約束主要是在 Z軸方向上的。由于其在工作時(shí)流體在 Z 軸方向上運(yùn)動(dòng)，故球閥在 Z軸上不能產(chǎn)生位移。同時(shí)在閥口端面上施加全約束。 根據(jù)設(shè)計(jì)條件在閥體內(nèi)表面上施加 2MPa 的壓力載荷。 圖 32 前閥體 邊界條件面選擇圖 圖 33 后閥體邊界條件面選擇 圖 圖 圖 34 后閥體的網(wǎng)格劃分 圖 35前閥體的網(wǎng)格劃分 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 模型的加載后分析結(jié)果 下面是 ANSYS 分析提供的應(yīng)變圖，分別給出了整體應(yīng)變圖、 X軸方向上的應(yīng)變圖、 Y 軸方向上的應(yīng)變圖和 Z 軸方向上的應(yīng)變圖。如圖 36，圖 37，圖 38，圖 39，圖 310，圖 311，圖 312，圖 313。 圖 36 后閥體 總應(yīng)變圖 圖 37 前閥體總應(yīng)變圖 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 38 后閥體 X 軸應(yīng)變圖 圖 39 前閥體 X 軸應(yīng)變圖 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 310 后 閥體 Y 軸應(yīng)變圖 圖 311 前閥體 Y 軸應(yīng)變圖 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 312 后閥體 Z 軸應(yīng)變圖 圖 313 前閥體 Z 軸應(yīng)變 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 ANSYS 結(jié)果分析 根據(jù)上節(jié)的分析，可以看出本次的設(shè)計(jì)，應(yīng)力變形最大都是存在于最外部 以及壁厚最薄處 ，所以，本次我的設(shè)計(jì)還是有些趨于開放，需要在有些部分進(jìn)行加固和改善。 在鑄造時(shí)可以對(duì)這些應(yīng)變較大處進(jìn)行加固，并在鑄造后對(duì)閥體進(jìn)行相應(yīng)的后處理，以使閥體在使用中的壽命加長(zhǎng)。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 結(jié) 論 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我通過查閱資料對(duì)球閥的生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 重要注意的細(xì)節(jié)有了一定的了解，同時(shí)還利用這次設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)將 自己學(xué)過的機(jī)械知識(shí)重新熟悉了一遍，同時(shí)將三維制圖軟件 solidworks和二維制圖軟件 CAD的部分功能模塊進(jìn)行了學(xué)習(xí) 。在制圖過程中，我很發(fā)現(xiàn)了許多不被自己注意的細(xì)節(jié)，包括中心線的添加以及箭頭的畫法等， 對(duì)以后的機(jī)械設(shè)計(jì)有所幫助。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 參考文獻(xiàn) [1] 章華友，陳元芳 等著 .球閥 設(shè)計(jì)與選用 .北京科學(xué)技術(shù) 出版社， . 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[15] Thanachai factors for “l(fā)inear” ball vavle:theoretical and experimental . 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 致謝 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在 ***副教授的悉心指導(dǎo)下完成的。 在課題的創(chuàng)作過程中，*老師為作者供了進(jìn)行課題研究的條件和相關(guān)資料，并在整個(gè)課題進(jìn)行過程中給予了認(rèn)真的指導(dǎo)。 *老師以其淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、精益求精的工作作風(fēng)對(duì)作者進(jìn)行了全面的指導(dǎo)和培養(yǎng)，這不僅 使作者順利完成了本文，也將使作者受益終生。值此論文完成之際，首先向我的導(dǎo)師致以最誠(chéng)摯、最深切的謝意 !在此，謹(jǐn)向 **老師表示最衷心的感謝 !