旋塞阀的变形分析与结构优化
旋塞阀是*早被人们用来截流的设备，其应用广泛。目前，很多研究者对阀体变形及结构优化做了大量工作，但只是单纯的软件模仿计算。旋塞阀阀体是三通结构，把中腔看做主管，流道视为支管。因为阀体开孔处产生很高的应力集中，使密封面产生较大变形而导致密封走漏。因此，为了降低应力集中和过大变形，可在开孔附近步枪。以下通过在旋塞阀外壁布置增强圈、增强筋结构弘鼎世界平台，并采用复合形法优化河南人事考试网，以保证阀门的安全性和经济性。
1 数学模型
1.1 设计变量
在阀体流道开孔壁面上下各设置n道横向增强圈，在横向增强圈之间设置m道纵向增强筋。将所有增强圈、增强筋壁厚都设定为阀体壁厚。在开孔附近进行步枪，故取n＝1，m＝4，则设计变量为4，上、下横向增强圈的宽度分别为h1、h2，纵向增强筋跨度β、高度H，如图1（a）、（b）所示.设计变量为X＝［x1x2x3x4］T＝［h1h2βH］T。
图1 阀体增强圈及增强筋结构
1.2 性能束缚
（1）阀体强度
增强圈在其间距段的周全积上均匀地承受内压，将横向和纵向增强筋的壁厚等效均匀地分布到阀体上，取横向增强圈与纵向增强筋对阀体增长的当量壁厚的平均值为Δδ（X），则
（1）
其中：δ为阀体壁厚（mm）；θ1为阀体现实角度的一半（°）。三通结构阀体是薄壁管件，在内压作用下，除承受薄膜应力外（受到应力集中系数的影响），还存在弯曲应力的作用。主管可看成受内压p及支管与阀体相贯线上受拉力q的共同作用。内压p产生的环向应力为
（2）
内压P产生的轴向应力为
（3）
其中：Dp为主管平均直径（mm）；K1为应力集中系数。支管的单位长度拉力为
（4）
其中：dp为支管平均直径（mm）；p1为密封比压（MPa）；ro、ri分别为阀体密封面的外半径、内半径（mm）。
q可分解成主管径向力q′＝qcosα1及环向力q″＝qsinα1。它们所产生的环向及轴向应力可近似为
（5）
（6）
其中
ω1（X）为折算抗弯截面系数；ω1（X）＝K（X）［δ＋
δ0为支管壁厚（与阀体壁厚δ相称）（mm）；α1为q′与支管轴线的夹角（°）；μ为泊松比。
根据圆筒容器小开孔应力分析，开孔*大应力发生在α1＝0处，将该值代入式（5）、式（6），可得环向应力
和*大轴向应力
，并分别与式（2）、式（3）中的薄膜应力叠加后，得总的环向应力及轴向应力为
（7）
（8）
根据*大剪应力强度理论：对于薄壁元件，径向应力为σ3（X）=σr（X）=0。比较式（7）、式（8）中关键词优化排名，σθ（X）、σz（X）的大小，σθ（X）＝σ1（X）。则当量应力为σd（X）＝σ1（X）－σ3（X）≤［σ］。
（2）密封面变形
根据物理方程和几何方程，通过积分求得密封面处阀体变形如下：
其中：d为支管内径（mm）；z为阀体高度（mm）；r为阀体中径处半径（mm）；K2为阀体除开孔处弧度；
εr（X）、εz（X）分别为径向应变、轴向应变；u（X）、υ（X）、w（X）、z（X）、f（X）分别为阀体径向变形、周向变形、轴向变形、阀体等效高度及总体变形（mm）。
1.3 目标函数及边界束缚
（1）目标函数
增强圈和增强筋的体积若为ΔV（X）。要使ΔV（X）*小，必须知足性能束缚的临界条件：①知足应力要求：σd＝σ1－σ3＝［σ］时，得到阀体增长当量壁厚δ1；②知足变形要求：f（X）＝0.001DN时，阀体变形知足密封要求，得到阀体增长当量壁厚δ2，其中DN为阀体公称直径。则取Δδ（X）＝max（δ1，δ2），其*小体积为
其中：θ2为阀体周角（°）；r1为支管外半径（mm）；R1为锥形阀体大端外半径（mm）。
（2）边界束缚
条件为ximin≤xi≤ximax（i＝1，2，3，4），其中：ximax、ximin分别为设计变量上、下极限。
2 实例分析
以材料为ZG1Cr5Mo，公称直径为DN=200mm的旋塞阀为例，其物理参数及结构参数见表1。
表1 物理参数及结构参数
2.1 原设计结构阀体应力及变形分析
根据阀体物理参数及结构参数，由理论计算公式（7）、式（13）和数值计算方法分别计算阀门关闭时原设计结构阀体应力和变形，计算效果如表2所列。数值计算云图如图2、图3所示。
表2 原设计结构阀体应力及密封面变形分析
图2 原设计结构阀体强度
图3 原设计结构密封面变形
由上述计算效果可知：阀体开孔处的应力大于许用应力，主管与支管交界处变形量＞0.001DN，该阀体应力及密封面变形都不知足要求.综上所述，该阀体必要设置增强件以降低应力集中及密封面变形，我们采用复合形法优化设置增强圈和增强筋。
2.2 增强圈、增强筋结构参数优化
增强圈、增强筋设计变量极限值如表3所列。取复合形顶点数P＝5，反射系数γ＝1.3，精度
初始可行点
共迭代37次，得到知足精度要求的*好处
此时：
minΔV（X＊）＝1.89912e＋006
表3 设计变量极限值
各设计变量对目标函数的影响分别见图4（a）、（b）、（c）、（d）。
各设计变量共同作用下，ΔV（X）转变大致有以下规律：上、下横向增强圈宽度越小，体积越小，当分别趋于13mm、14mm时，体积*小；纵向增强筋跨度越大，体积越小，当趋于36.8°时，体积*小；纵向增强筋高度越小，体积越小，当趋于234mm时，体积*小。
2.3 优化结构阀体应力及变形分析
行使体积*小的设计变量优化阀体增强圈和增强筋结构，通过理论计算及有限元数值模仿分析阀体开孔处的应力σ1（X＊）和密封面变形f（X＊），计算效果见表4。优化后韩国导游，阀体应力云图见图5，密封面变形云图见图6。
由表4可以看出，两者计算效果基本符合，阀体应力约等于应力临界值，阀体密封面变形知足变形条件。
3 结论
（1）三通结构旋塞阀开孔处产生的应力集中，使阀体密封面变形过大而导致密封走漏。为解决上述题目，在阀体外侧布置增强圈及增强筋结构，并采用复合形法优化。
（2）*优化效果注解：适当减小横向增强圈宽度，增大纵向增强筋跨度，降低纵向增强筋高度，会使增强圈和增强筋的体积减小，优化后比优化前体积降低了20.96%。
图4 各设计变量对目标函数的影响
表4 优化结构阀体应力及密封面变形分析
图5 优化结构阀体强度
图6 优化结构密封面变形
（3）优化后的阀体应力及密封面变形分别知足各自的规定要求，比原设计结构的阀体应力和密封面变形量分别降低了28.57%和33.14%。
