以金屬密封球閥中易產生破損的球體與閥桿接觸部位為例，采用有限元分析軟件An-sys，對提出的5種設計方案進行了分析和比較，得到了最優化的設計方案，表明有限元分析方法在金屬密封球閥優化設計中的有效性。

  1全焊接球閥閥桿廠家概述

  金屬密封球閥廣泛應用于石油、煤化工、電力和冶金等行業。隨著閥門產品的大量使用，對其產品質量和結構設計提出了更高的要求。CAE（ComputerAidedEngineering）技術為解決這個問題提供了一種有效的方法。采用CAE分析，可以減少設計、試驗和修改過程中反復的次數，減少設計時間，降低設計工耗和成本。有限元分析是CAE技術中應用的一種方法。本文采用有限元分析的方法優化金屬密封球閥的設計。

  2 問題提出

  浮動球金屬密封球閥的閥桿與球體接觸部位應力過大時常引起硬化層剝落。當硬化層局部剝落擴展至整個球面時，輕則導致閥門無法密封，重則使得球體卡塞，無法正常啟閉，致使整個系統失效。針對這種情況，采用Ansys軟件優化球體與閥桿接觸部位設計。

  首先，采用常規計算方法設計球體與閥桿接觸部位。球體與閥桿的材料為ASTMA564/A564M17-4PH，熱處理按H1150M，其抗拉強度為795MPa，按［σy］=σb/6～σb/4=132.5～198.75，取［σy］=193MPa。

在設計閥桿與球體連接結構時，除應滿足所傳遞的最大扭矩外，還要保證不因為局部接觸應力過大而造成對該部位整體結構的損傷。由于閥桿與球體連接部分是間隙配合，因此在接觸面上的比壓分布是不均勻的（圖1）。常規的計算方法是近似地采用擠壓長度Ly=0.3a，作用力矩的臂長K=0.8a，則擠壓應力σy為

  閥桿頭部的比壓分布

  式中 Mm———閥座密封面與球體間的摩擦轉矩，N·mm

  a———閥桿正方形邊長，矩形截面的長邊邊長，mm

  h———閥桿頭部插入球體槽的深度，mm

  根據計算得出Mm=10kN·m，取閥桿與球體接觸矩形邊長a=50mm，閥桿伸入球體槽的深度h=1.8a，則σy=370.4MPa＞［σy］。經分析，計算所得的擠壓應力遠遠超出材料的許用擠壓應力值。為滿足材料要求，只能加大閥桿與球體接觸部位的尺寸。僅調整矩形邊長a=62.5mm，則σy=189.6MPa＞［σy］，其滿足了材料要求。但是由于閥桿與球體接觸部位的尺寸加大將減弱球體的強度，加大閥門的結構。于是，考慮通過有限元計算，在結構尺寸不變的情況下，采取結構調整降低閥桿與球體接觸處的擠壓應力。

  優化設計

  在Ansys有限元計算中應力應變分析步驟主要包括前處理、求解及后處理3個步驟。

  前處理

  有限元分析的前處理工作包括計算模型的建立及模型網格的劃分，可以用UG，PROE或者SOLIDWORKS等三維設計軟件建立計算模型。針對球體與閥桿的使用工況，對造成球體與閥桿接觸部位破壞的結構進行分析，確定對球體與閥桿接觸部位進行優化，能有效減少磨損。為此，形成球體與閥桿的5種不同設計方案

  在建立有限元模型時，采用了三維立體幾何模型，根據設計方案建立了3種球體模型（圖2，①球體銑方槽。②球體滑槽，接觸邊緣倒圓角。③球體滑槽，接觸邊緣不倒圓角）和2種閥桿模型（圖3，①閥桿扁榫，②閥桿扁榫與球體接觸部位高出0.8mm）。

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