一種通用閥門設計優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種閥口設計優化方法，特別是關于一種通用閥口設計優化方法。
【背景技術】
[0002] 隨著制造企業新產品的不斷開發，技術更新越來越快，產品的技術含量越來越高。 企業為了獲得更大的競爭優勢不得不加速提高其核屯、技術的開發與應用，加深產品技術內 涵與縮短產品研發周期。為此許多制造企業采用了不同形式的方法進行內部設計和生產的 變革。隨著信息技術的不斷發展，CAD、CAM、CAE、C抑技術已在廣大制造企業中大量使用。 但是，產品的設計在較大程度上仍然依靠眾多設計人員依靠個人經驗，來處理海量的設計 數據資源。不同領域的設計軟件工具和復雜的設計流程，是一個需要經過多個設計階段逐 步細化的、反復的過程，是人員、資源、工具和過程的綜合。雖然此類軟件、工具已在企業中 使用，但設計過程依靠設計人員本身設計經驗通過實驗來改進產品結構是突出問題。
[0003] 隨著閥口作為特種設備應用于發電、輸氣、化工等行業，特種設備關鍵閥口打破國 際技術壁壘，閥口進入國產化設計的新階段。閥口設計完成后經過檢測合格投入使用后根 據用戶的反饋來對閥口進行持續優化，是閥口優化工作的主要方式，整個產品改進周期較 長，只是對閥口長期設計提供指導方向；而且閥口設計后的驗證性試驗可W準確的指出閥 口目前存在的問題，但是對閥口的優化不能提供有效的數據支持。但作為特種設備的閥口 設計完成后首要工作是做試驗來進行驗證檢測，但是實驗過程中數據無法直觀采集，無法 對閥口使用前優化提供充分數據。針對閥口設計優化化過程中試驗環節，計算機仿真技術 對閥口驗證分析的使用可大大降低試驗成本，為閥口的優化設計提供數據依據。但是目前 在閥口設計行業使用計算機仿真作為閥口優化設計過程中的依據和支撐也較為單一，缺乏 系統性的方法。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種通用閥口設計優化方法，該方法能大大 降低試驗成本，并有效縮短實驗周期。
[0005] 為實現上述目的，本發明采取W下技術方案；一種通用閥口設計優化方法，其特征 在于，所述方法包括W下步驟；1)建立待優化閥口的實體模型，并根據實體模型建立相應 的有限元模型，對有限元模型的=維幾何體進行簡化，W達到有限元分析對幾何體的要求； 2)根據有限元模型對待優化閥口進行應力應變分析，根據分析結果判定待優化閥口的安全 性能，并判斷優化的可能性；應力應變分析包括一次應力、二次應力和外載荷應力分析，經 過變形分析后得出待優化閥口的易變形位置，體現待優化閥口的剛度水平；3)根據應力應 變分析結果建立流道模型，模擬仿真閥口工作過程中的流體狀況，進行流場優化；流道模型 包括層流分析模型和端流分析模型；4)根據流道尺寸判斷流動是層流還是端流，并根據流 道模型計算雷諾數，根據雷諾數選擇分析模型；判斷雷諾數是否超過預先設定的臨界雷諾 數，當雷諾數小于臨界雷諾數則采用層流分析模型，反之采用端流分析模型；5)將選擇的 分析模型進行網格劃分，并設置邊界條件，模擬仿真閥體內流體工作狀態下的流體的速度 場和壓力場，進行流場分析；并對可能出現問題的局部進行網格加密，并放大邊界條件；6) 根據速度場和壓力場對閥體進行噪聲分析，并根據噪聲分析結果判斷閥體噪聲是否合格， 若噪聲太大則依次對流道結構和閥口腔體進行優化，并重建閥口實體模型進入步驟2)，對 閥體重新進行應力應變分析；反之完成閥體優化。
[0006] 所述步驟1)中，對實體模型的=維幾何體進行網格劃分，并對幾何體定義材料和 屬性，定義連接，并根據待優化閥口的實際載荷條件對幾何體施加載荷模擬和邊界條件約 束。
[0007] 所述步驟2)中，待優化閥口的一次應力和二次應力不能超過閥口使用材料的規 定范圍，一旦超過，則證明閥口的強度不夠，直接進行強度應力分析，并需要對應力過大的 地方進行加固處理；如果一次應力和二次應力分析結果遠小于閥口使用材料的規定范圍， 則證明此閥口能進行適當的減重處理。
[000引所述步驟3)中，對完成應力應變優化的閥體進行流道建模、網格劃分，并將劃分 好的網格導入流體動力學計算方法中，對閥體定義邊界載荷。
[0009] 所述步驟4)中，雷諾數計算方法如下：
[0010]
[0011] 式中，V為流道截面的平均速度；L為特征長度；V為流體的運動粘度；Re為雷諾 數。
[0012] 所述步驟5)中，流場分析包括W下步驟；a)根據待分析的閥體建立流道模型；b) 將流道模型進行網格劃分，同時設置邊界條件設定流道模型對應的出口和入口，選擇其對 應的邊界條件；C)將劃分完網格的流道模型導入流體動力學計算方法中，根據流道的雷諾 數選著合適的計算模型；d)選擇該閥口對應的邊界載荷，確定邊界載荷后，進行迭代分析； e)根據計算數據生成速度矢量圖、壓力云圖，依照生成的數據圖尋找閥體內的素流區域、壓 力集中區域，提出優化方案。
[0013] 本發明由于采取W上技術方案，其具有W下優點；1、本發明采用對閥體進行=維 建模，進行仿真分析得出閥口的應力和變形情況，用W分析閥口的結構是否能夠承受其內 部流體產生的壓力。通過流場分析得出閥口內部是否會出現素流或是流道不合理的情況， 通過噪聲分析可W模擬出閥口實際應用中的噪聲情況。通過該些分析為閥口的設計提供參 考，大大降低閥口研發過程中的試驗成本，同時縮短實驗周期，加快了閥口研發進程。2、本 發明采用多維度優化方式，從應力、應變、流場、噪聲等多維度綜合分析，達到閥口結構綜合 最優化。本發明可W廣泛在閥口設計領域中應用。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明的整體流程不意圖；
[0015] 圖2是本發明實施例中疏水閥一次應力分布示意圖；
[0016] 圖3是本發明實施例中疏水閥流道模型示意圖；
[0017]圖4是本發明實施例中對選擇的分析模型定義邊界條件示意圖；
[001引圖5是本發明實施例中速度矢量圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0020] 如圖1所示，本發明提供一種通用閥口設計優化方法，包括結構、變形、流場、噪聲 分析和優化，主要分為兩個方面的分析優化；一是針對閥口的的應力應變進行優化，一種是 針對閥口的流場進行優化。兩個方面在優化過程中相互促進、相互制約。應力應變優化主 要針對閥口的腔體剛度等因素，在滿足強度的情況下盡可能的減小制造閥口的使用材料， 為閥口設計的輕量化提供數據支撐。流場優化則針對閥口的結構進行優化，可W實現減低 流體在閥口的動能損耗、降低噪聲、提高使用壽命。該優化方法具體包括W下步驟：
[0021] 1)建立待優化閥口的實體模型，并根據實體模型建立相應的有限元模型，對有限 元模型的=維幾何體進行簡化，去除幾何體中如倒角等細小尺寸，W達到有限元分析對幾 何體的要求，如網格質量可用細長比、錐度比、內角、翅曲量、拉伸值、邊節點位置偏差等；
[0022] 對實體模型的=維幾何體進行網格劃分，并對幾何體定義材料和屬性，定義連接， 并根據待優化閥口的實際載荷條件對幾何體施加載荷模擬和邊界條件約束。
[0023] 2)根據有限元模型對待優化閥口進行應力應變分析，根據分析結果判定待優化閥 口的安全性能，并判斷優化的可能性；
[0024] 其中，應力應變分析過程主要為對待優化閥口的變形分析，包括一次應力、二次應 力和外載荷應力分析，經過變形分析后可W得出待優化閥口的易變形位置，體現待優化閥 口的剛度水平。
[0025]待優化閥口的一次應力和二次應力不能超過閥口使用材料的規定范圍，一旦超 過，則證明閥口的強度不夠，直接進行強度應力分析，并需要對應力過大的地方進行加固處 理；如果一次應力和二次應力分析結果遠小于閥口使用材料的規定范圍，則證明此閥口可 W進行適當的減重處理。
[0026] 3)根據應力應變分析結果建立流道模型，模擬仿真閥口工作過程中的流體狀況， 進行流場優化；對完成應力應變優化的閥體進行流道建模、網格劃分，并將劃分好的網格導 入流體動力學計算方法（CFD)中，在CFD中對閥體定義邊界載荷；
[0027] 其中，由于閥口工作過程中的流體狀況分為層流和端流兩種流體狀況，因此，流道 模型包括層流分析模型和端流分析模型。<