基于SolidWorksSimulation的蝶阀立板结构优化
1 弁言
连杆蝶阀是蝶阀的一种结构情势，具有加工制造简单、体积小、重量轻、动作天真、拆装方便和密封性好等好处，在热风炉体系和预热炉体系中得到广泛应用，作为烟道阀、煤气切断阀、煤气燃烧阀、助燃空气切断阀、冷风阀等使用，在体系中起切断作用。因其工作环境恶劣，阀板都必要有很好的强度，在阀板的优化设计过程当中，有许多早期的研究，其中从蝶阀自己结构出发对连杆蝶阀的结构分析，有对连杆蝶阀阀板结构进行优化设计，有对连杆蝶阀的流场受力分析的。尽管这些研究都从各方面对连杆蝶阀进行了优化，进而加强了蝶阀的寿命和减小了其成本，但大多没有从蝶阀自己出发分析其材料使用情况。本文偏重对阀板的立板尺寸进行许可值内的优化研究，使阀板在保证强度的前提下具有更好的经济效益。
随着CAD/CAE技术的发展与成熟，其在产品的设计和优化过程当中发挥着越来越紧张的作用，通过CAD软件对产品进行三维建模，运用CAE软件对其进行仿真分析，清楚的看出产品设计上的不足之处。SolidWorks软件集设计、验证、仿真于一体，以其为平台的有限元分析方法，在设计和优化工作上更加快捷、周全而且可靠，大大的进步了技术人员的工作服从。
2 结构与受力分析
2.1 结构情势
某公司生产的连杆蝶阀如图1所示，重要由驱动装配、阀板、阀体、主轴、杆系部件组成。体系在工作状况时，阀板一向处于受力的状况，是磨损*快的零部件，所以连杆蝶阀的寿命取决于蝶阀中阀板的寿命[2]。阀板重要由横梁、立板、垫板、大圆盘钢板和座圈组成，如图2所示。
图1 连杆蝶阀
1.横梁；2.立板；3.垫板；4.大圆盘钢板；5.座圈
图2 阀板结构与受力分布
2.2 立板的受力分析
在阀门关闭的状况下，阀板要承受流体所有的压力，此时，立板虽然也处于流体的压力包裹之中，但与垂直于垫板方向上所受的力相比，其余方向上的力可以忽略不计。如图2所示，设作用在垫板、大圆盘钢板和座圈上的压强为P，蝶阀的工作压强P1≤0.26MPa，此处试验压强为1.5倍工作压强，即：
P=1.5P1=0.4MPa （1）
座圈外围半径为R（R=0.965m），则阀板沿垫板法线方向受力总和为：
F=PS=PπR2 （2）
因为阀板所受的压强悉数由立板承受，对其等效处理可得到作用在立板上的力。用P1透露表现每一片立板承受的压强，S1透露表现立板底部的面积，立板宽度280mm、厚度40mm，由牛顿第三活动定律得：
（3）
2.3 结构分析选定
线性静态结构分析是计算在稳固的载荷作用下结构的效应，它是不考虑惯性和阻尼的影响。经典力学理论中，物体的动力学通用方程为：
（4）
其中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度系数矩阵，{x}为位移矢量，{F}为力矢量。由于静力分析可以计算出固定不变的惯性载荷对结构的影响，以及近似为等价静力作用的随时间转变载荷，所以在线性静态结构分析时与时间无关，即位移{x}可由如下矩阵方程解出：
（5）
其中假设[K]为连续续的常量矩阵，材料必须知足线弹性、小变形理论，许可包含非线性边界条件，{F}为静态加载到模型上的载荷清废模切机，其不随时间转变，不包括惯性影响因素。
阀板在工作状况下受稳固的气压载荷，随时间转变可以近似为静态载荷，立板为包含非线性边界条件的线性结构，所以对立板的有限元分析可以用线性静态结构分析计算。
3 立板的有限元分析
3.1 立板实体模型的建立
SolidWorks拥有壮大的实体建模功能，对立板的建模重要有两个步骤：一是绘制二维草图；二是拉伸草图生成实体。
在建模过程中要处理好单位的设置，保证SolidWorks和SolidWorksSimulation在运算时使用的单位同等，所以在建模过程中*好使用国际单位制“MKS”，模型如图3所示。
图3 固定束缚和载荷
3.2 设置材料属性
立板的材料选择是Q235B，在SolidWorksSimulation应用材料中有与之对应的性能参数，弹性模量2.1e+11N/m2、泊松比0.28、屈服强度2.35e+8N/m2。
3.3 施加束缚和载荷
由图1可以看出，立板是由销子连接到自动杆和辅助杆，自动杆和辅助杆再与主轴相连，所以在给立板施加束缚时直接将固定束缚定义在立板与销子接触的圆柱面上。而阀板所受的压强等效到立板上，即是将压强作用在立板与阀板接触的底部端面，如图3所示。
3.4 网格划分
网格划分是有限元分析中特别很是紧张的一个环节，网格情势和网格单元外形的选取直接影响到运算效果的好坏。根据立板的结构特点和载荷类型选择实体网格，网格单元大小应不大于立板的*小壁厚值，相干网格模型信息见表1，网格划分模型如图4。
图4 网格划分
表1 网格信息
3.5 运行求解
网格化后的模型以大量线性方程组的情势出如今求解器中，SolidWorksSimulation可以为用户提供如下三种求解器：Di-rectSpace、FFE和FFEPlus。它们对于小题目的求解都是高效的，但各有侧重：
（1）计算机中可用内存越大，DirectSpace求解器的运算速度就越快。当模型中使用的材料弹性模量差异很大时（比如钢和尼龙），DirectSpace比FFE和FFEPlus的精度要高。
（2）假如选择了FFE结算器，则“使用平面内结果”，“使用弹簧使模型稳固”和“使用惯性卸除”选项不可用，FFE是不支撑接触题目和厚外壳公式的。
（3）FFEPlus在处理自由度（DOF）超过100000时，速度比较快。它会随着题目的变大变得更有用率。
FFE是SolidWorksSimulation默认的求解器，运行求解得到立板的应力和位移转变量如图5和图6。
图5 应力云图
图6 位移云图
此时立板在厚度为40mm时所受的*大应力为1.35e+008N/m2，远小于屈服应力2.35e+008N/m2，*大变形量仅为0.1227mm，因为销轴与固体自润滑轴承之间有肯定的设计间隙，所以如许的变形量，不会影响阀门的正常使用，立板处于许可的安全范围之内。
4 立板的优化设计
假设将立板的厚度设计由原来的40mm改为30mm，则其他条件雷同的情况下河南人事考试中心，立板承受的压强P2为：
（6）
SolidWorks采用的是参数化建模，模型具有很好的再编辑功能，更改立板厚度后江苏人事考试网站，只必要在SolidWorks中将立板拉伸深度更改为30mm，再次对立板进行分析求解便可，对应的应力和位移转变量如图7和图8。
图7 优化后应力云图
图8 优化后位移云图
从图中可知立板此时*大变形量只有0.1637mm，*大应力为1.75e+008N/m2，仍小于屈服应力，因此立板处于安全范围之内百度排行，不会影响阀门的正常运行。
设优化前后立板质量差为ΔM，则整个蝶阀体系在优化后的质量削减量为：
2ΔM=2ρΔV=2×7800×（5.4-4）×10-3=20.8kg （7）
阀板质量削减百分比为K=20.8÷83.4×100%=24.9%，大幅度的减轻了立板的重量。
5 结束语
通过三维建模软件SolidWorks及其有限元分析模块Solid-WorksSimulation成功地对阀板中的立板进行了受力分析，并根据分析效果对立板进行了适当的优化，优化后的经济效益在大批量生产的情况下是显而易见的，不仅节约了制造成本，而且使阀板更加轻巧。此方法大大缩短了产品的开发周期，简化了产品的设计过程，进步了技术人员的工作服从及设计的可靠性和完备性，具有很好的市场推广性。
