基于流固耦合与DOE的电动闸阀轻量化设计

0 引言

电动闸阀在核电、冶金、石化、国防军工等工业领域有着广泛的应用，其需求量大，使用面广[1]。在动力作用下，通过阀杆运动带动阀瓣的往复来控制闸阀的启闭。其工况环境错综复杂，在高温、高压、强辐射下，阀体结构易出现冲蚀、变形、破损等问题，从而造成极大的安全隐患。我国阀门行业起步晚，发展相对落后，在闸阀设计技术创新、工艺优化、设备管理等方面同世界顶尖水平还有较大差距[2]。在传统的闸阀设计过程中，设计人员仅通过力学公式计算或仿制，估算阀体的受力情况，这种方法显然缺乏准确性与可靠性。近年来，随着有限元技术在工业工程领域的应用日益增加，关于闸阀结构分析优化方向的研究也在逐渐增多。李美求等[3]针对以往闸阀设计方法的缺点，提出其等效应力分类设计途径；Liu等[4]基于数值模拟分析闸阀内液流流动行为，提出闸阀流道优化方法；Luo等[5]利用Abaqus计算出阀体在高压载荷下的应力分布情况，并削减阀体壁厚，得到了满足强度要求的闸阀结构；尚玉来等[6]通过对加强筋位置的优化布局，有效地减少了阀体变形的问题。

现阶段，大多数电动闸阀结构轻量化都通过减小壁厚尺寸，施加阀体内腔压力来分析计算其等效应力。采用流固耦合与DOE(Design of Experiment)协同分析闸阀受力方面的研究还鲜有报道。本文基于流固耦合与DOE功能模块，对某企业电动闸阀进行结构优化与轻量化设计分析，揭示各设计参数同最大等效应力分布的规律。在保证强度要求的前提下，提高了电动闸阀设计水平，缩短制造周期，降低设计成本。

1 模型建立

1.1 三维模型建立

闸阀一般在全开或全闭状态使用，本文主要研究闸阀全开状态下阀体的强度问题。在满足数值计算精度要求的基础上，电动闸阀模型的建立应尽可能简便。故删去不必要的螺栓与倒角，使计算过程更加简便，有利于结果的分析。采用Solidworks建立闸阀阀体的实体模型，如图1所示。

图1 阀体三维模型(左)及剖视图(右)

1.2 数学模型建立

(1)流场数值计算

闸阀内通入的介质为高温蒸汽，在流场中的运动过程遵循一般物理规律。其数值模拟由流体力学计算基本方程构成，即连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。模拟计算通过数值替换三大方程中的未知数进行求解，进而得到电动闸阀离散后的速度与压力值[7]。假定流动没有热损失，不考虑壁面之间的能量交换。

1)连续性方程：

(1)

式中，ρ为流体密度；u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量。

2)动量(Navier-Stokes)方程：

(2)

式中，ui、uj为平均速度，下标代表不同的方向；ρij为应力；fi为i方向应力。

闸阀内部流道结构复杂，将流道高温蒸汽流动设为标准湍流(k-ε)模型，方程式为：

(3)

式中，ut为湍流粘性系数；Cu为经验常数，取0.09；k为湍动能；ε为湍动耗散率。

(2)流固耦合理论

实际工程领域一般由多个物理场构成，单一场基本不能存在。流固耦合分为单向耦合与双向耦合。单向耦合通常不考虑固体域对流体域的作用，而双向耦合则要求两种计算域同时存在。电动闸阀的轻量化着重于固体域的分析，因此选择单向流固耦合作为模拟方法[8]。由于电动闸阀内部流体与内腔之间的相互作用，流道与阀体内腔的各变量相等，具体可表示为如下参数方程：

n·τf=nτs

lf=ls

vf = vs

(4)

其中，τf、τs为流道与阀体的应力；lf、ls为流道与阀体的移动量；vf、vs为流道与阀体的速度。

根据理论式(1)～式(3)在Fluent fluid中对电动闸阀流道进行数值模拟，计算完成后将流道外壁面的压力场结果导入到阀体内耦合面，在Workbench中利用理论(4)进行耦合运算。

2 前处理设置

2.1 网格划分

将建立的三维模型导入到DM(Design Model)中，采用fill功能抽取闸阀内流道，区分开两种不同计算区域[9]。采用Ansys mesh自由网格划分方式，将跨度中心角设为细化(Fine)，相关中心参数设为细化(Fine)，滑移度设为高(High)。阀体模型划分单元总数为159947，流道模型划分单元总数为120150。网格划分模型如图2所示。

(a)阀体 (b)流道

图2 网格划分

2.2 数值模拟设置

(1)流场

电动闸阀内部流道液流介质为高温蒸汽，工况最大流速不超过50m/s，属于低速流动过程。由于低速蒸汽在流动过程中各项性能参数(如速度、压力、密度等)基本没有变化，可近似等于常数，故闸阀流道介质按不可压缩流体来进行模拟计算[10]。模型边界条件为：采用速度入口，大小为42m/s，温度为540℃；采用压力出口，大小为电动闸阀设计压力10.5MPa；流体域表面设为无滑移，即各方向速度分量为0。

(2)结构场

电动闸阀为特种装备，根据实际需求选用力学性能良好的合金锻造钢F91(10Cr9Mo1VNbN)作为电动闸阀材质。其质量特性包括：质量密度为7780kg/m3，弹性模量为212GPa，泊松比为0.29，设定流体域与固体域交接面为耦合面。

3 数值模拟结果及分析

3.1 数值模拟

在Fluent fluid中进行数值模拟，通过后处理得到流体域的速度矢量和耦合面压力分布情况，如图3所示。

(a)速度矢量图 (b)耦合面压力云图

图3 流道数值模拟结果

由图3a可知，水平方向高温蒸汽流动较稳定，从入口到出口处速度变化范围很小，主流道流速基本维持在42m/s，最大流速为49.95m/s。而竖直方向流道速度较水平方向有一个较为明显的差值，这说明该阀门系统工作时，阀体竖直方向结构的优化对流道压力的损失影响不大，可以适当地减小其壁厚，从而达到轻量化的目标。由图3b可知，流固耦合面压力值基本维持在10.5MPa，流道各处压力稳定。气流在介质流道孔相贯处有较小的压力损失，基本可忽略。阀体弯道边沿处压力最大值为10.52MPa。

在Workbench中构建流体域与固体域的耦合分析，将流体域计算得到的压力输出为固体域的输入载荷，进而得出阀体应力值分布情况，其最大应力点在流道相贯的边沿处，大小为100.35MPa，如图4所示。

图4 优化前阀体应力分布云图

3.2 结构优化

(1)优化数学模型

从图4可知，除闸阀内腔交汇处等效应力值较大，阀体上部等效应力值较小，在材料许用应力范围之内。因此针对这部分进行降重优化，同时确定横向与纵向加强筋尺寸与分布，以满足闸阀阀体的强度要求。由于电动闸阀的设计要同时满足对安全和经济成本的要求，本文采用Workbench中Design of Exploration优化设计模块，通过设置初始值变化区间与目标函数定义，在取值区间内自动寻优，得到最优的一组解[11-12](即目标函数的临界极值)。选定阀体上部位壁厚h0、横向与纵向加强筋的宽度w1、w2和高度l1、l2为设计变量，σ小于[σ]为约束条件([σ]为许用应力值)，阀体的总重量M(kg)为目标函数，建立如下轻量化设计数学模型(5)：

(5)

(2)DOE设计优化

在DOE界面设置好设计参数的上下边界，如表1所示，选择Screening Method算法自动寻优，总共100个样本点。

表1 电动闸阀阀体主要设计变量

更新设计点后，通过多次迭代得到闸阀各参数优化结果。图5为各设计变量对阀体总重量和最大等效应力的局部影响因子图，由图可知，阀体上部位壁厚h0对总重量影响最大；横向加强筋宽度l1和壁厚h0对阀体最大等效应力值的影响较大。

图5 设计变量对目标函数的影响因子图

图6为阀体上部位壁厚h0和横向加强筋宽度w1对总重量规律分布的响应图，由图可知，阀体壁厚h0减小，总重量M有很大的降低，但阀体的强度水平明显下降，安全性能无法得到保障。图7为设计变量h0和w1对最大等效应力规律分布的响应图，由图可知，壁厚h0和横向加强筋w1数值越大，最大等效应力σ越小。但是其数值降低到一定程度后，σ的变化不再明显。经过综合考虑，选用h0=66.792mm、l1=46.860mm、l2=31.579mm、w1=18.617mm、w2=15.629mm为最后尺寸。

图6 h0、w1对阀体重量变化的3D响应图

图7 h0、w1对阀体最大等效应力变化的3D响应图

(3)优化后结构分析

将DOE设计后的阀体最佳参数组合传递回Workbench集成分析模块，对阀体与流道进行分析。由于篇幅原因，详细过程不再赘述。其分析结果如图8所示。

(a)速度矢量图 (b)耦合面压力云图

图8 优化后数值模拟图

由图8a可知，流体最大流速为49.98m/s，与优化前的最大流速差距较小，最大流速位置基本不变。由图8b可知，流固耦合面处的最大压力为10.63MPa，闸阀内流道流体流动特性基本不变。

将流固耦合结果导入到静力学分析模块，得到优化后阀体所受等效应力如图9所示。

图9 优化后阀体等效应力分布图

由图9可知，结构优化后阀体受到的最大等效应力值为103.22MPa，小于材料的许用应力，结构强度满足要求。

表2为优化前与圆整优化后阀体各参数对比分析，阀体壁厚h0由80mm减小到68mm，壁厚降低16%。优化前后阀体所受最大等效应力差距较小，能满足强度要求。同时，电动闸阀的总重量由3488kg减小到2579kg，轻量化效果明显。

表2 优化前后阀体参数对比

4 结论

本文以某企业DN550电动闸阀为例，以其阀体结构轻量化为目标，基于Ansys Workbench环境多功能模块结合的优化设计，得到以下结论：

(1)利用流固耦合方法可以更准确地模拟实际工况下阀体的受力状况。由阀体结构应力云图可知，阀体上部位整体受到的应力值较小，优化后阀体结构应力分布更加均匀。最大等效应力发生在阀体垂直与水平通道相贯处，造成阀体内部结构的疲劳损坏。

(2)采用Design of Exploration优化设计模块研究了电动闸阀阀体上部位壁厚、横向与纵向加强筋尺寸与最大等效应力之间的关系。在目标区间内，随着设计参数的增大，阀体所受最大等效应力值增大，达到临界值后最大等效应力趋于稳定。优化后阀体总重量降低26%，极大降低了材料成本。

(3)本文结合流固耦合技术与DOE设计对阀体进行仿真优化，减少了电动闸阀的设计周期和材料成本，为未来闸阀类产品设计开发提供了一种行之有效的研究方法。