CADCAE在阀门中的应用Word格式文档下载.docx
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如今，历史已进入到二十一世纪，人们在以环保、电子等领域高科技发展及世界可持续发展为主所产生的巨大需求的大背景下，对于包括球阀行业在内的许多行业或领域都带来了技术的飞速变革和发展。
首先是球阀设计水平的提升与制造技术优化的有机结合:
进入信息时代的今天，球阀的设计人员早已经利用计算机技术来进行产品的开发设计（如CAD的利用）大大提高了设计本身的速度，缩短了产品设计的周期。
而在生产为主的制造当中，以数控技术CAM为代表的制造技术业已深人到阀的生产当中。
目前，国内外己经把有限元法作为阀门的静态分析和动态分析的重要手段。
球阀阀体的结构分析和计算主要有两种方法:
经典力学方法和有限元计算方法。
经典力学方法需要对受力系统作大量简化和假设，且计算繁杂、精度差，影响球阀结构的合理化和可靠性!
’]。
有限元法是在近几年代发展起来的强有力的数值分析方法，它通过计算机实体建模对阀体结构进行静态或动态特性分析，找出其结构设计的关键部分，从而进行优化设计。
它使复杂的工程分析问题迎刃而解，而且由于分析软件和计算机硬件处理技术的高速发展，计算效率高，实际应用越来越广泛。
目前，国内外在结构动态领域的研究十分活跃，特别是美国、西欧等一些工业发达国家，十分重视关于结构动态涉及问题的研究，并将其列为结构设计领域山东大学硕士学位论文的重点发展方向之一。
而我国在这一领域的研究还比较落后。
结构动态设计的内容十分丰富，涉及现代动态分析方法、计算机技术、产品结构力学理论、设计方法学等众多学科范围，目前还没有形成一套完整的结构动态设计理论方法和体系[2]。
结构动态设计的主要内容包括两个方面:
一是建立一个切合实际的结构动力学模型;
二是选择有效的结构动态设计方法。
其过程是:
对满足工作性能要求的产品初步设计图样或需要改进的产品实物进行力学建模，并作动态特性分析，然后根据实际情况，给出其动态特性的要求或预定的动态射击目标再按结构动力学的“正”、“逆”问题求解其结构设计参数或进行结构修改[4l。
我国控制阀行业要发展就一定要实施技术创新，调整产品结构，要大力研制开发一些技术含量高、劳动附加值高、具有国际领先水平的控制阀产品，以适应现代工业对控制阀的需求。
有限元分析方法在国内己开始普遍应用于球阀阀体的结构分析，研究方向也由单纯静力分析向参数化建模、结构优化和动态特性等扩展，而且将有限元分析计算与试验研究相结合，呈现多样化的局面。
如江苏工业学院的张锁龙采用有限元法对球阀阀体进行动态和静态的分析卜71，肖俊建利用有限元法建立球阀的动态模型并对结构进行动态分析[8l，赵磊生、刘克铭、张力钧、刘琳琳等都利用有限元法对不同类型的控制阀进行了仿真设计及动态或静态的分析19一”]。
可以看出，目前，国内己经把有限元法作为控制阀的静态分析和动态分析的重要手段，球阀各部分结构的有限元分析模型更趋复杂、完善，计算结果精度愈来愈好，成为球阀结构分析和设计的主流工具。
1.3研究的主要内容
通过有限元分析的方法，阐述了管线球阀阀体的设计，球体的应力分布及变形情况，并对几个重要的设计参数作了进一步的灵敏度分析，从受力的角度讨论其各部分结构的强度和刚度，以便优化其设计。
2、什么是CAE
CAE（ComputerAidedEngineering，即计算机辅助工程）技术，是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动、动力学仿真。
工程数值分析用来分析确定产品的性能；
结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；
结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行。
可靠性如何以及使用寿命为多少；
运动，动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。
从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动，动力学仿真技术。
对CAE作进一步分析，其具体的含义表现为以下几个方面：
（1）运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析；
（2）运用过程优化设计的方法在满足工艺、设计的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工艺过程达到最优；
（3）运用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范，对结构的安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计；
（4）运用运动，动力学的理论、方法，对由CAD实体造型设计出的机构、整机进行运动，动力学仿真，给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。
CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型信息产品，主要以有限元法、有限差分法、有限体积法以及无网格法为数学基础。
目前国内CAE技术以有限元法应用最为广泛。
20世纪80年代初至今国内有限元体系已发生两次深刻的变化，近来随着数字化产品设计概念逐渐深入人心，第三次有限元技术的应用浪潮正在形成。
基于有限元法的CAE应用软件可分为三类：
（1）通用有限元分析软件。
ANSYS，NASTRAN、ABAQUS、MARC、ADINA等属于这类软件。
（2）专用有限元分析软件。
ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等属于这类软件。
（3）嵌套在CAD/CAE/CAM系统中的有限元分析模块。
之所以称为模块，是因为它们与设计软件等集成为一体，在这种集成系统中，有限元分析在工程师所熟悉的设计环境下进行。
有限元分析是CAE的主要支撑，I-DEAS、Pro/ENGINEER、UNIGRAPHICS等。
CAD/CAE/CAM系统中的有限元分析模块。
功能没有通用或专用有限元分析软件那么强大全面，但是它们解决一般工程问题的能力也是很强的。
其中，I-DEAS很有代表性。
现以ANSYS为例简要说明CAE软件的特点。
ANSYS是最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发的。
它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是经典CAE工具，在现代产品设计中广泛使用，又是唯一具有中文界面的大型通用有限元软件。
ANSYS是集结构、流体、电磁场、声场和祸合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
ANSYS能与大多数CAD软件结合使用，实现数据的共享和交换，如PRO甩、NAsTRAN、Alogor、I一DEAs、AutocAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
从PC机到工作站直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。
ANSYS多物理场祸合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的祸合计算，如:
热一结构祸合、磁一结构祸合以及电一磁一流体一热祸合，在PC机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解[26】。
ANSYS提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
ANSYs主要包括三个部分:
前处理模块（PreProcessing）、分析计算模块（Solution）和后处理模块（postproeessing）。
（l）前处理模块
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地构造数学模型和有限元模型:
1）直接建模和实体建模相结合，自顶向下与自底向上建模相结合;
2）多达数十种丰富的体素库可以模拟任意复杂的几何形状;
3）强大的布尔运算功能实现模型的细“雕刻”;
4）方便的拖拉、旋转、复制、蒙皮、倒角等功能可以大大减少建模时间;
5）辅助工具如选择和组元、拾取与工作平面为建模提供了极大的方便;
6）丰富的网格划分工具确保单元形态及求解精度;
7）参数化建模使用户只需修改几个参数便可完成系列产品的设计与分析;
8）数十种加载方式可以模拟各种类型的工程问题。
（2）分析计算模块
ANSYS计算分析模块提供了对各种物理场量的分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。
1）结构分析包括线性、非线性结构静力分析，结构动力分析，隐式、显式（ANSYS/LS一DYNA）及显式一隐式一显式祸合求解，线性及非线性屈曲分析，非线性分析（几何非线性、材料非线性、边界非线性、单元非线性），断裂力学分析，复合材料分析，疲劳及寿命估算分析，超弹性材料的分析等;
2）热分析;
3）高度非线性结构动力分析包括全自动接触分析，整车碰撞分析，金属成型分析，焊接模拟分析，容器设计等;
4）流体动力学分析;
5）电磁场分析;
6）声学分析;
7）压电分析;
8）多场祸合分析。
（3）后处理模块
ANSYS后处理模块包括两个部分:
通用后处理模块POSTI和时间历程后处理模块POST26，它可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出[27}。
本课题主要球阀阀体进行模态分析，因此选择模态模块进行分析。
3.管道输送的发展及其对管线球阀的技术要求
3.1长输管线的发展
1914年，第一条9公里长的输油管线在美国中部建成，从此拉开管道工业发展的序幕。
用管线来输送液体或气体，其成本是铁路运输的1/3，海上运输的2/3，所以近一百年来获得了迅速的发展。
长距离输送管道称之谓长输管线，长输管线上使用的阀门称之谓管线阀门，有球阀、闸阀、止回阀、旋塞阀，是一种满足管道运输的特殊要求，具备特殊功能的专用阀门。
对于球阀则称之谓管线球阀。
规范管线球阀的技术标准是美国石油协会颁发的API规范6D《石油天然气工业－管道输送－管线阀门》，最新版本2008年颁布的第23版。
实际上管道工业的迅速发展是二十世纪五十年代的事，根据《Pipeline》杂志2000年统计，全世界已建成管线260万公里，其中输油管线80万公里，输气管线140万公里，其他石油化工产品输送管线40万公里。
输油输气管线是一条能源供应线，是一条生命线，已遍布全球，并且每年仍以3万公里的速度递增。
管线阀门的最高压力级PN42.0Mpa（Class2500），阀门最大通径60英寸（DN1500）。
世界上著名的长输管线如美国阿拉斯加到大西洋东海岸长岛的原油输送管线，穿过北极圈冻土层和美国五大湖的沼泽地；
俄罗斯横贯西伯利亚的输油管线；
地中海地区从阿尔及利亚经摩洛哥至西班牙的输气管线，全长2000公里，穿过沙漠，阿特拉斯山脉和直布罗陀海峡；
在东南亚从菲律宾经马来西亚、爪哇、苏门答腊，至泰国全长6276公里输气管线，其中1094公里海底输气管线，等等。
球阀的结构可追溯到1904年，已有人申请了结构专利，但一直未获得商品化，它的发展也是20世纪50年代的事，这是由于1943年美国杜邦公司聚四氟乙烯塑料的发明，这种材料具有一定的弹性，自润滑性，优良的耐腐蚀性，十分适宜于作为阀门的密封材料。
以及车球机、磨球机的进步。
由于这种阀门是全通径、低流阻，十分适宜作为长输管线用阀，所以管线球阀已逐步取代管线闸阀、旋塞阀，是一种近50年来发展最快的一个阀门新品种。
3.2管线输送对管线球阀的严格要求
长输管线是全球性的，是一条能源供给线，从北极圈到赤道，从高山到海底，从高原到沙漠，其间穿过地震带、沼泽地、冻土层、江河、湖泊、山坡。
有架设的，有直埋地下，在野外操作，维修困难，要求30年使用寿命。
一般输送原油、天然气，虽经处理但含硫，含铁锈及金属颗粒，且要求零级密封，实际的使用环境恶劣和能源供给线的重要性，对管线球阀提出了严格的技术要求.
1、强度和韧性
阀门除了承受内部介质压力之外，尚需承受地基承载，由于环境温度变化而引起的轴向拉力和压力，考虑滑坡，地面沉降，洪水而引起的外部载荷，在寒带及冰冻地区尚需考虑材料低温冲击韧性，防止低温脆性断裂。
对于全焊接阀体球阀，焊缝及热影响区，需要按照断裂力学理论，考虑其断裂韧性（CTOD）
2、零级的密封要求
阀门要求零级密封，以确保对下游端管线的有效截断，考虑介质中金属颗粒对零级密封的影响，金属对金属密封作为初级密封,PTFE/橡胶对金属作为次级密封,以及一旦密封失效时应采取紧急密封措施。
3、具备失火安全和防静电功能；
管线球阀设计需考虑失火安全（firesafe）,一旦失火，阀门的外漏和内漏不能超过API607规定的泄漏标准；
球体被非金属材料夹持，可能产生静电，必须与阀体导通，在24VDC下，电阻值<
10欧姆。
4、DBB功能（DoubleBrock&
Bleed）
在阀腔排泄时，上游端阀座和下游端阀座应同时自动切断，以确保排放时的安全。
5、防止阀腔压力的夹持；
无论阀门处于开启或关闭位置，均应防止介质在阀腔中被夹持，如果介质可能夹持，则对于气体介质或液体介质均要确保自动泄放阀腔内的压力，阀腔压力泄放的最大值不超过阀压力额定值的1.33倍，外部压力泄放阀的口径为DN15或更大。
6、排泄
阀腔的介质可以排泄；
并通过此排泄孔对阀门进行在线密封检测。
7、位置指示
无论手动或动力驱动，要有明显的阀位指示表明阀门处于开启位置或关闭位置；
8、传动链
传动链的设计扭矩至少应为球阀最大扭矩的2倍。
9、硫化工况
承压部件及螺栓材料应具有抗应力裂化的能力，符合NACE,MR0175要求.
10、紧急切断功能
长距离管道输送系统采用卫星监控系统（SCADASystem），当管线压降速率或持续时间达到某一设定值，阀门应紧急切断；
11、考虑地下水的电位腐蚀和应力腐蚀.
采用全焊阀体结构，管道阴极接地和外表面防腐，来防止电位腐蚀和应力腐蚀。
4、阀门设计的现状和引入CAE技术的必要性
4、1阀门制造业概况
阀门产品都是作为整机的某个部件而存在的，其材质、结构、加工工艺、产品质量和可靠性直接影响着整机的效率、能耗、污染、寿命和安全等各项关键指标。
阀门的技术现状及其发展态势，一直受到业内人士的密切关注。
本世纪初，随着世界制造业中心逐步向我国转移，我国的阀门制造业也发生了一系列重大变化：
（1）阀门产品呈现出大型化、高参数化、高可靠性、自动化、成套化等趋势，且随着数量越来越大，档次也越来越高，技术密集及附加值大幅度提高；
（2）生产模式由过去的大批量、少品种向小批量、多品种以及按用户订货要求制造的方向发展，需求的多样化使产品结构日益复杂；
（3）企业由于受到市场压力的作用。
目前大多存在以销定产的情况，供货周期短，产品的质量、交货期和价格已成为影响企业竞争力的三个决定因素。
以上这些特点，都为产品的设计技术提出了更高的要求。
现代企业必须采用先进的技术手段，缩短开发和制造周期，降低成本，提高质量，使企业具备很强的应变能力，迅速响应用户的各项要求，并能根据科技发展和市场需求的变化，及时调整产品的类型和结构。
4、2阀门制造业引入CAE技术的必要性
现代设计方法表明，产品设计虽然只占产品整个成本的5%，但它却影响产品整个成本的70%。
在设计过程中。
如果确定了产品结构、零件形状、材料及精度，则产品成本的70%～80%将被确定。
对新产品的开发周期而言，产品设计占其周期的50%以上。
统计资料表明。
我国工程技术人员用于产品设计的工作量大约为40%，其余时间用在查阅技术标准、手册和一些辅助工作上。
而产品设计工作只有30%属新产品开发。
70%左右的设计都是在原有基础上进行的。
从阀门行业的情况看更是如此。
另据资料显示，几乎50%~90%结构或零部件的失效都是由于材料疲劳引起的。
据1996年劳动部对200起压力管道事故的原因分析显示，设计原因占了11%。
可见，设计工作在阀门制造业中的地位是非常重要的。
近些年来的实践证明，将数字化设计技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。
据专家估计，由于现代科技的进步，今后15年制造技术的发展将超过以往的75年。
制造业的生命力在于产品的创新，阀门制造业也是如此。
实现创新的关键。
除了设计思想和概念之外，最主要的就是技术保障。
即采用先进可靠的CAD/CAE软件。
但大部分CAD软件中的分析模块功能过于简单化、通用化，真正精确量化的分析项目仍然要依靠专业的CAE软件来解决。
企业日益全面和多元化的需求，促成了数字化设计技术的发展。
CAD和CAE这两条并轨道之间的距离越来越近，CAD/CAE的集成化是发展的趋势。
CAE技术能够给工业企业产品研发带来巨大的经济效益，这已成为不争的事实。
以ANSYS、LS-DYNA等为代表的高端CAE软件早已活跃在全球各行各业中，将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入基于“虚拟样机仿真的现代设计方法”，将大幅度缩短产品开发周期，降低成本，提高企业竞争力，见图1。
潜在的问题越早地得到解决，设计的成本与周期的降低效果越明显。
因此，CAE分析应该提前到概念设计阶段，在零部件设计阶段就应该进行CAE分析。
设计人员负责对自己设计的零部件进行分析，已成为企业的迫切需求。
应用CAE技术进行阀门的分析设计，将使阀门设计领域发生根本变革，推动阀门设计方法及设计技术的进步。
5、CAE技术在管线球阀中的应用
4CAE技术在阀门制造业的应用
阀门制造业中，按照产品设计流程。
CAE技术可在如下几个步骤发挥作用：
根据市场需求、产品功能及商业考虑等进行产品规划、方案设计，CAE可以用来完成基础设计的验证、不同方案的比较。
满足功能、性能方面的要求。
并为企业领导层进行产品决策提供参考，回答是否能够在预定时间、预定成本等约束条件下开发出能满足要求的产品的问题。
这一阶段主要进行较为详细的、带有一定目标的预演。
（2）详细设计阶段
在这个阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、装配部件、子装配、零件设计，直到图纸、材料、制造工艺等。
CAE分析在这个阶段的作用，就是验证各种部件是否能满足预期的性能（如结构强度、刚度、动力特性等），制造上是否可行。
（3）样机试验阶段
试验阶段是设计完成后的关键阶段，大多数企业（尤其特种阀门制造企业）艘是先制造物理样机然后投入试验。
如果某些地方试验失败，就要重新设计，重新制造，重新试验。
如此反复直到定型通过。
显然，这样反复多次的“设计、试验、修改”过程，既耗费时间，费用又极为昂贵。
如果采用CAE分析，样机的数量和重新制造、重新试验的次数必然会减少。
在数字样机的仿真试验中发现问题，修改设计，与物理样机相比，显然其成本会降低很多。
据统计，数字样机的开发方式能够减少一半以上的物理样机制造和试验，从而争取到更多的时间，节约大量的费用。
更进一步。
CAE仿真的数字样机可以使物理试验更快获得通过。
事实上，CAE分析可以“透视”整个样机的试验，显示出所有检测点的数据，设计人员可以通过软件在实际试验之前就掌握最佳测试方法和最可能的载荷/激励位置，从而显著地减少试验时间，尽可能避免在试验现场进行“猜测”。
（4）产品测试评估阶段
这一阶段主要是利用CAE软件对产品成本、产品性能、产品质量和加工特性作出全面真实的评价。
从而为设计更改和产品的生产提供可靠依据。
通过一个例子。
可以看到减少物理样机的制造和试验，为企业带来的收益。
美国某汽车配件公司一直采用传统的“设计、试验、修改”方式进行配件设计。
将CAE分析技术应用到某些样机试验场合后，他们减少了50%的物理样机以及试验费用，而且还更快地完成了这些部件的设计、验证工作。
其投资回报见表1。
表1投资回报（美元）
初期投资
1年后
2年后
3年后
合计
投资回报
85000
20000
145000
降低样机费用
75000
225000
降低试验费用
25000
合计降低成本
100000
300000
利润贡献
-85000
80000
155000
内部收益率
77%
回收周期
13个月
采用有限元分析的数值仿真技术作为管线球阀的辅助设计是必要的，对于复杂应力状态，复杂的焊接工艺过程，可为设计和焊接工艺优化提供有力的论证，下列零件的设计与制造可以进行数值仿真：
1、分体式管线球阀阀体及连接螺栓应力分析；
2、全焊接阀体管线球阀阀体的应力分析；
3、全焊接阀体焊接过程的温度场分布，焊接残余应力分布，焊接轴向变形和径向变形预测，如图（十一）所示；
（a）阀门轴向变形（b）阀门径向变形
图（十一）固有应变法计算焊接变形
4、焊接过程对支撑板受力状态的影响，如图（十二）所示；
图（十二）支撑板应力分布
5、球体的分析
（1）球体的静力学分析
分析计算的前期处理根据实际的泵验情况，密封试验采用双面打压的泵验方法，即载荷对称；
根据球阀的具体结构，易知约束也是对称的，对于球体模型本身其结构近似对称，上下半球的不同之处仅在于有无阀杆连接槽，现取模型的1/8，含有阀杆连接槽部分作为分析计算对象，则计算后的结果相当于模型的上下轴均开有阀杆连接槽，计算结果将比实际情况偏大少许，即实际的球体受力状况要略好于计算结果，符合安全性的原则。
对称面上分别加载对称约束，球体的静压面上施加静压力p＝16.5MPa，密封面上施加1/4倍的阀座相当推力
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