阀门外密封结构中金属膜片的力学行为分析

摘 要：针对阀门的小型化设计，采用数值模拟方法研究阀门外密封结构中关键部件金属膜片的力学行为规律，包括：在轴向力和高压联合作用下，3层金属膜片的应力情况和变形情况；在有效密封前提下，金属膜片的层数与轴向力和最大等效应力的关系.分析结果可为阀门和金属膜片的设计提供指导.

关键词：阀门； 密封结构； 金属膜片； 力学行为； 有限元法

中图分类号：TG113.25；TB115.1 文献标志码：A

Mechanical behavior analysis on metal diaphragm of outer seal structure of valve

YU Shaorong, XU Bing, WANG Jun

(Institute of Systems Engeering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, Sichuan, China）

Abstract： As to the miniaturization design of valve, the mechanical behaviors of the mental diaphragm, which is one of the main parts of the outer seal structure of valve, is studied by using numerical simulation method. The stress and deformation of three-layer mental diaphragm is analyzed under the effect of axial force and high-pressure. On the condition of effective seal, the impact of the layer number of mental diaphragm on axial force and maximum equivalent stress is analyzed. The result can prove references for the design of valve and mental diaphragm.

Key words： valve; seal structure; mental diaphragm; mechanical behavior; finite element method

0 引 言

阀门外密封结构是阀门小型化设计的关键，金属膜片（以下简称膜片）是外密封结构的主要零件之一.目前报道阀门膜片力学行为数值模拟的文献较少，巫宗萍等^［1］和张征明等^［2］分析波纹管力学行为；张征明等^［3］和马洪涛等^［4］进行大型阀门有限元分析；柳学胜等^［5］和李广田等^［6］分析阀体材料力学特性，但这些研究中的阀门结构形式、材料与本文所研究的差异较大.

本文采用数值模拟方法研究轴向力和内压联合作用下膜片的力学行为规律并分析膜片层数等对其力学行为的影响.

1 有限元模型

阀门外密封结构示意见图1.膜片上部（外部）由支撑块和压头组成.当膜片下部充入高压气体时，气体压力由膜片、支撑块和压头共同承受.周边焊接可达到外密封的要求.当轴向力N作用于压头时，膜片在压头作用下克服高压气体影响产生变形；一旦轴向力N消失，膜片在高压气体作用下将恢复到原位.

图 1 阀门外密封结构示意

Fig.1 The outer seal structure of the valve

根据结构的特点和所关心的问题，将图1所示结构简化为二维轴对称有限元模型，见图2.

图 2 简化的二维轴对称有限元模型

Fig.2 The simplified axisymmetric finite element model

模型中，压头与支撑块以及膜片与支撑块和阀体在焊接部位固连；其他部件可按接触处理.采用ANSYS分析，在有限元分析过程中，采用罚函数方法分析该接触非线性问题，阀门密封的判定条件为“密封面上的接触压应力不小于构成接触面单元软材料（镀金）屈服强度的2倍”^［7］.坐标轴定义阀门径向为x轴，轴线方向为y轴，在阀座处施加约束.载荷为气体压力P和轴向力N.

有限元分析中使用到的材料力学性能参数见表1.密封材料（镀金层）进入塑性后其本构关系按双线性模式处理，其硬化模量取弹性模量的1%.根据文献［7］，镀金层的屈服强度在30～45 MPa，因此在进行有限元分析和结果判断时，分别按30 MPa和45 MPa考虑，相应的密封判定条件按60 MPa和90 MPa考虑.

2 结果分析

2.1 应力分析结果

在有效密封的前提下，膜片的应力分布情况见图3.（a）在60 MPa密封条件下3层膜片等效应力分布(b)每层膜片上最大等效应力情况

(c)在60 MPa密封条件下膜片内外表面应力随

径向（x方向）变化曲线(d）在60 MPa密封条件下膜片界面上接触应力随

径向（x方向）变化曲线图 3 在有效密封的前提下膜片的应力分布

Fig.3 Stress distribution of the mental diaphragm on the condition of effective seal由图3（a）可知，压头的下端面是圆弧形状，在内压和轴向力N的作用下，首先在靠轴线端部接触，因此最大应力出现在该部位，为1 174 MPa.在外载荷作用下，每层膜片在靠轴线一端下表面应力较大，在压头与支撑块交界附近对应的膜片上表面应力较大，在膜片的端部与阀盖和阀座焊接部位应力较小.由图3（b）可知，膜片第1层应力最大，第2层最小，可认为是第1层最先承受轴向压力，压头的下端面与膜片先采用点接触方式；第3层应力较大，其原因是30 MPa压力作用于膜片下端面（内壁）.由图3(c）可知，3层膜片外表面的等效应力在径向变化趋势基本相同；第1和第2层的内表面等效应力在径向变化趋势基本相同，而第3层膜片内表面处于空腔内表面，承受30 MPa内压，在轴向外力作用下，其受力形式与另外2层不同，其等效应力分布趋势与另外2层也有差别.由图3(d）可知，在膜片靠近轴线端压力较大，并随x坐标（径向）在0~0.1内逐渐减小，这是由于在轴力和压力作用下第1层膜片与顶块逐渐接触，使接触区域增大；在x＝0.3附近，由于支撑块与膜片接触，该区域接触应力有增大趋势；在0.55和0.95附近，膜片几何结构不连续，造成应力有增大趋势.

2.2 位移分析结果

在有效密封前提下，膜片位移分布见图4，可知膜片靠近轴线一端位移较大，约0.27 mm左右，主要受压头轴向力造成.在靠近阀体一端膜片与支撑块、阀体焊接，刚度较大，变形较小.3层膜片中，第1层膜片的挠度较大，为0.271 mm；第2层次之，为0.269 mm；第3层最小，为0.267 mm：均小于其设计要求0.3 mm.因此，位移变形量满足设计要求.(a)3层膜片的轴向（y向）位移分布，mm(b)在60 MPa密封条件下膜片内、外表面轴向位移

随径向距离（x坐标）分布曲线图 4 在有效密封前提下膜片位移分布

Fig.4 Displacement distribution of the mental diaphragm on the condition of effective seal

2.3 膜片层数对轴向力和最大等效应力的影响

以密封压力为60 MPa和90 MPa作为有效密封条件，研究膜片层数分别为3层、4层、5层和6层，分析轴向力和最大等效应力与膜片层数关系，见图5.图5(a)给出膜片承受的轴向力与其层数的关系，轴向力随层数增大而减小.图5（b）给出膜片最大等效应力随其层数的关系，等效应力随层数增大而减小；以90 MPa作为有效密封条件，第1层膜片局部进入屈服；但由图5(b)可知，膜片层数增加对减小膜片应力有较大的帮助，3层膜片改为6层，应力可降低25%左右.(a）轴向力与膜片层数的关系（b）最大等效应力与膜片层数的关系图 5 轴向力和最大等效应力与膜片层数的关系

3 结束语

采用数值分析方法研究在轴向载荷和内压联合作用下多层膜片的力学行为规律，获得多层膜片的变形和应力分布，研究在有效焊接情况下膜片层数与轴向力和最大等效应力的关系.该分析结果能为阀门和膜片的研究、设计以及膜片的优化提供参考.

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(编辑 于 杰)