球閥閥桿廠家在進(jìn)行有限元計算求解之前，首先進(jìn)行環(huán)境設(shè)定，即給出約束條件。圖5給出了球閥球體與閥桿力學(xué)模型，通過計算得閥座密封面與球體的摩擦轉(zhuǎn)矩為10kN·m扭矩，作用在閥桿兩鍵槽處的力為191kN，設(shè)定填料函處具有無摩擦固定支承，球體與閥座接觸面設(shè)定為瞬間固定支承。

  球閥閥桿廠家在球體與閥桿接觸部銑方槽，閥桿扁榫不更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力圖（圖6）。在應(yīng)力圖中，球體與閥桿接觸處最大應(yīng)力值比較集中在球孔邊緣處很小的兩塊區(qū)域，這兩塊區(qū)域極易產(chǎn)生破損失效，此結(jié)構(gòu)球體閥桿槽最大應(yīng)力σy=227MPa，超出了材料最大許用應(yīng)力值，故不合格。

  球閥閥桿廠家在球體與閥桿接觸部銑方槽，閥桿扁榫更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力圖（圖7）。在應(yīng)力圖中，球體與閥桿接觸處最大應(yīng)力區(qū)域由兩側(cè)改為中間，其最大應(yīng)力值得到了降低σy=193.355MPa，但最大應(yīng)力值還是超過了材料的許用應(yīng)力［σy］，故需通過進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

  在球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫不更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力圖（圖8）。在應(yīng)力圖中，最大應(yīng)力σy=215.589MPa，最大應(yīng)力值超出材料許用應(yīng)力［σy］，故不合格。

  在球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力圖（圖9）。在應(yīng)力圖中，最大應(yīng)力σy=181.446MPa，雖然該結(jié)構(gòu)的計算模型求解后最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力值，但其值接近材料許用應(yīng)力［σy］，為此需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。

  球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫做更改，同時為了更好地防止應(yīng)力集中，面接觸處銳部倒圓角。通過分析軟件的求解計算，得到球體和閥桿接觸部變形圖及應(yīng)力剖視圖（圖10）。在應(yīng)力圖中，最大變形量0.018mm，最大應(yīng)力σy=154.539MPa，最大應(yīng)力值小于材料許用擠壓應(yīng)力值［σy］，滿足設(shè)計要求。同時由于接觸部所受最大應(yīng)力處遠(yuǎn)離金屬密封球閥球體涂層易剝落區(qū)故此設(shè)計改進(jìn)較為合理。

  后處理

通過分析5種方案（表2），其采用方案5的設(shè)計方法時，金屬密封球閥的閥桿與球體接觸處的擠壓應(yīng)力小于材料許用擠壓應(yīng)力值，球體與閥桿接觸部位設(shè)計合理，有效。

表2 5種不同方案的計算結(jié)果

  計算結(jié)果表明，球體圓口倒角和閥桿扁榫特殊的高平臺凸起設(shè)計，能在不增大球閥結(jié)構(gòu)和不降低球體強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，有效的降低局部的接觸應(yīng)力。在閥門設(shè)計過程中，當(dāng)傳統(tǒng)的設(shè)計方法不能滿足設(shè)計要求時，采用基于Ansys的分析與設(shè)計方法可以有效地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，使其滿足性能要求，從而提高閥門設(shè)計的質(zhì)量和效率。

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