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某型号高压阀门关键件强度及可靠性研究

余煜哲  
【摘要】:在我国电站、石油输送和工业流体生产输运中,高压阀门作为重要的流体控制元件,因长期处于高温、高压的工作状态,其结构强度与可靠性对设备安全和正常生产,具有非常重要的保障作用。阀门一旦失效,将造成极为严重的经济损失与人身伤亡。然而在对高压阀门分析中,往往忽略了在热场和压应力场双场耦合作用,对其可靠性分析研究较为粗浅。对此本文以某款超超临界硬质密封复合阀门为研究对象,在原启闭装置可靠性不足的基础上进行了优化设计。为实现其可靠性,对其可靠性关键影响作用的阀体,开展了热应力与压应力作用下的双场耦合强度数值分析并且进行了结构优化,随后对优化后的结构进行可靠性的研究。对关键件阀座与锥阀碰撞进行了强度可靠性分析。具体研究内容如下:超超临界硬质密封复合阀门在启闭装置上存在的可靠性不足、传动不平稳与启闭困难的现象,本文在原结构基础之上优化设计了一款螺纹机构与马耳他轮机构相结合的阀门机构,对原款结构进行比对分析,最终选择了螺纹机构与马耳他轮机构相结合的阀门机构。利用Solidworks软件建立高压阀门阀体的三维模型,载入ANSYS Workbench有限元分析软件中进行热力耦合分析,得到温度场的分布情况与在热应力的作用下的等效应力值,找到阀体上受到最大应力作用的薄弱环节,利用Design Explorer结构设计模块对其进行结构优化设计,使整体应力更为合理以提高结构安全性,且减少制造用料,降低成本。基于应力-强度模型可靠度计算与分析,对阀体的强度与可靠性进行了分析计算,使可靠性分析结果更准确。根据热-应力耦合分析得到的结果,根据材料的S-N曲线,在名义应力法的基础之上,对优化后的高温高压阀门的阀体进行疲劳可靠性分析,预测了阀体的疲劳寿命与易产生疲劳破坏的危险部位,对高温高压阀门阀体的安全性进行了评估,确定了阀体在此工况下是可靠的,符合设计要求。此外,分别对锥阀以及阀座进行三维建模,对阀门在关闭时锥阀与阀座之间的碰撞进行了分析,为了使结果更加精确,引入了弹性-刚性碰撞分析与弹性-弹性碰撞接触的联合求解方法。并分析了阀门在不同关闭速度下锥阀与阀座碰撞产生的最大应力之间的关系。通过本文所做的工作,不仅解决了高压阀门存在的一些问题,而且对高温高压阀门设计与可靠性研究提供了参考。


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