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在石油、化工、食品、飲料等行業(yè)，經(jīng)常使用的蝶閥一般都是中線式的，其密封比壓是靠蝶板和密封圈間的過盈擠壓造成的，在頻繁開啟狀態(tài)下密封圈非常容易損壞。三偏心蝶閥是在雙偏心蝶閥的基礎上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封結構，從而消除了蝶閥啟閉時兩密封面之間的機械磨損和擦傷，減少驅動力矩。密封面位于斜圓錐表面，閥座和密封圈的正截面均為橢圓，這正是其設計和制造的難點及關鍵，也是目前不能準確計算摩擦力矩的原因所在。三偏心金屬蝶閥屬于強制密封蝶閥范疇，采用接觸式機械密封，其蝶板關閉時在力矩的作用下靠一定的過盈量在閥座密封面間形成密封比壓，實現(xiàn)密封。如圖所示，其主要結構特征是它的3個偏心量：碟板的回轉中心相對于密封面中截面的軸向偏心a；碟板的回轉中心相對于閥體中心線的徑向偏心b；圓錐形密封面的中心線與閥體中心線形成的角度為β的角偏置。經(jīng)過第3次偏心后，蝶板的密封斷面不再是圓，而是橢圓。密封過程中蝶板與閥座錐形密封副間的接觸界面的區(qū)域大小和相互位置以及接觸狀態(tài)都事先未知，并呈現(xiàn)出復雜的接觸非線性的特點。
ANSYS是當前使用最廣泛的大型通用有限元分析軟件，具有強大的求解器，可對結構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場進行計算。但是ANSYS的建模能力相對薄弱，并對分析模型要求苛刻。為解決該問題，ANSYS為目前主流的CAD軟件提供了預留接口，SolidWorks軟件也在其中。
本文以三偏心蝶閥為研究對象，考慮部件之間的接觸作用，建立起閥體、碟板、密封圈、軸（驅動軸，從動軸）和軸承的三維模型，使用有限元分析軟件ANSYS分析三偏心蝶閥設計時的密封比壓和關閉扭矩，并顯示密封圈的等值應力圖和受力后的變形狀況。
由于本分析主要研究密封圈和碟板，在三維建模時忽略對分析結果影響較小的部件和部件上的小特征，這樣不僅可以節(jié)約計算機資源，而且能提高計算結果的準確性。以工稱直徑為DN400、PN112bar的三偏心蝶閥為例，利用三維建模軟件SolidWorks強大的實體建模功能進行實體建模，并對各零件進行組裝，生成裝配體。
利用Workbench軟件的模型導入功能可以將三偏心蝶閥的裝配體輸入到建模環(huán)境DesignModuler，輸入后的裝配體，系統(tǒng)可以自動識別零件之間的接觸關系，并自動設置面與面之間的接觸特性。
網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格形式的選取是決定網(wǎng)格質量和結果精度的重要因素。如果網(wǎng)格單元太小，會造成網(wǎng)格過密，導致計算成本過高。本例中由于重點關注密封圈與碟板接觸面處的接觸應力，所以只需要細化密封圈與碟板接觸面之間的網(wǎng)格，而其他位置的網(wǎng)格不用過于細化。本模型采用四面體和六面體劃分，一共650000個單元，1064812個結點。
基于DesignModuler的三維模型，定義結構上的載荷和邊界條件，而且在有限元計算中必須指定足夠多個保證結構在外載荷作用下不發(fā)生剛體位移的邊界條件。由于新設計的閥門關閉扭矩未知，且在啟閉過程中有干涉問題，所以在關閉過程中采用施加旋轉角度，同時為了節(jié)約計算時間，把閥體設置成剛體。在本例計算中閥門處于未完全關閉的初始狀態(tài)，且保證密封圈與碟板之間無接觸。按照閥門實際工作的受力狀態(tài)，對模型分別施加以下載荷和邊界條件：（1）施加位移約束：壓緊環(huán)位移0.638mm，以模擬真實裝配狀況，使壓緊環(huán)預壓密封圈；（2）施加壓強：在碟板背面施加法線方向11.2MPa壓強；（3）施加位移約束：在驅動軸末端施加4°角度位移，以模型真實工況下閥門的關閉狀態(tài)；（4）施加軸向固定約束：在從動軸末端施加軸向固定約束；（5）施加固定約束：固定閥體兩個法蘭端面。由于ANSYS模擬的是一個比較復雜的分析過程，為了簡化分析在施加載荷時分三步進行：第一步施加壓緊環(huán)位移，第二步施加驅動軸旋轉角度，第三步施加壓強。
此分析可以全面研究三偏心蝶閥系統(tǒng)的內在規(guī)律和密封機理，由于主動體上的節(jié)點與被動體接觸時的自由度和變形的一致性，能得到密封圈的應力場和位移場計算結果，尤其可以獲得碟板和密封圈之間接觸壓力和關閉扭矩等很重要的具體數(shù)據(jù)，這里僅給出部分的計算結果。
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