平行閘板有限元力學(xué)分析

閘板是平行閘閥最重要的零件，閘板在開啟關(guān)閉的過程中受到關(guān)閉過程流體對閘閥的沖擊作用以及閥桿對閘閥拉伸作用，因此，對閥板進(jìn)行有限元力學(xué)分析，了解其應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，對改善閘板受力情況，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)以及提高閘板的工作可靠性和使用壽命具有重要意義。
    1 閘板的三維有限元模型
    由于閘板模型結(jié)構(gòu)比較簡單，對其整體結(jié)構(gòu)采用C3D4四面體單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中在壓力作用面上進(jìn)行了細(xì)化，共劃分18981個節(jié)點，96777個單元，其網(wǎng)格模型見圖1所示。

圖1 閥板三維實體單元網(wǎng)格模型

    2 初始邊界條件
    根據(jù)閥板的實際工作情況，閘板在全關(guān)狀態(tài)下的受力最大，達(dá)到了105MPa，且其約束主要時通過閥座與閘板之間的摩擦力來進(jìn)行固定，因此，對閥座與閘閥之間的接觸面進(jìn)行了位移全約束，見圖2所示。

圖2 施加約束后的閥板

    3 載荷和工況
    由于閘板在全關(guān)時，受到了105MPa的壓力，并且在關(guān)閉的瞬間，閘板上端受到105Mpa壓力產(chǎn)生的摩擦力，阻止閘板的移動，因此，本論述對閘板施加兩種載荷：一是作用在圓域上的105MPa的壓力；二是絲桿螺母傳遞給閘板的拉力，其受力情況見圖3所示。

圖3 施加載荷后的閥板

    4 有限元計算結(jié)果及分析
    通過對閘板在全關(guān)狀態(tài)工況下的分析，確定此時閘板處的所受到的壓力最大，并以此作為邊界條件對閘板的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限分析，見圖4所示。

圖4 閥板整體的Mises應(yīng)力圖

    為了能更準(zhǔn)確的觀察閘板內(nèi)的應(yīng)力狀況，取閘板的半剖圖（見圖5所示）以及局部放大圖（見圖6所示），以便能直觀的觀察閘板內(nèi)的應(yīng)力分布情況。

圖5 閥板內(nèi)部Mises應(yīng)力圖

圖6 閥板位移應(yīng)力圖

    通過以上的分析可知，整個閘板所受到的應(yīng)力主要在集中在26－220MPa范圍內(nèi)，且大部分都處在低應(yīng)力區(qū)，而在梯形螺紋孔處和加潤滑脂孔以及閘板安裝絲桿螺母處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其應(yīng)力集中處最大應(yīng)力值為281.7MPa。
    為了能夠更好的了解閘板的應(yīng)力分布情況，通過取應(yīng)力集中區(qū)域三種不同的路徑a、b、c（見圖7所示），來對路徑上的應(yīng)力大小進(jìn)行分析。

圖7 三種不同路徑a、b、c

    通過選取以上應(yīng)力集中處的三種不同路徑，取出各路徑上的應(yīng)力值，從而能夠更好的了解軸承支架處的應(yīng)力載荷情況，將其繪制成一條曲線，進(jìn)而將集中處的應(yīng)力分布形象地表示出來，見圖8、9、10所示。

圖8 路徑a下的應(yīng)力曲線和位移曲線

圖9 路徑b下的應(yīng)力曲線和位移曲線

圖10 路徑c下的應(yīng)力曲線和位移曲線

    從以上三種不通過路徑下的應(yīng)力曲線圖可以看出，這些集中區(qū)域的應(yīng)力大都在200MPa以上，屬于閘板所受應(yīng)力值較大區(qū)域，并在路徑c處產(chǎn)生了應(yīng)力集中最大值為281MPa。閘板選材為50CrVA，其相關(guān)參數(shù)為：σb＝1280MPa＝σs1130MPa，取σb/4.25和σs/2.3中的較小者，得到許用應(yīng)力[σ]為301.17MPa＞281MPa。
    5 結(jié)束語
    在梯形螺紋孔處和加潤滑脂孔以及閘板安裝絲桿螺母處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，其應(yīng)力集中處最大應(yīng)力值為281.7MPa。路徑c處產(chǎn)生了應(yīng)力集中最大值為281MPa。閘板的設(shè)計能滿足工況的要求。也為今后閘板設(shè)計提供指導(dǎo)意義。