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【摘要】旋塞阀广泛地应用于油田开采、输送和精练设备中，在石油管道输送中主要起到安全截流作用。本文针对撑开式旋塞阀，假设撑开式旋塞阀在运行时，作用在楔塞表面的作用力不随时间变化，采用ANSYS Workbench平台对楔塞结构进行了数值仿真计算，得到了不同开度下，楔塞的等效应力及总变形情况，分析了楔塞最大等效应力和最大总变形随开度的变化情况。为楔塞的结构设计及优化设计提供了参考。
【关键词】旋塞阀；数值仿真；等效应力；总变形
一、三维模型的创建
以X543FCL600型旋塞阀为分析对象，采用Pro/E对旋塞阀及楔塞进行三维建模，见图1。
二、楔塞结构分析
（一）网格划分
利用ANSYS Workbench与Pro/E的接口，将楔塞三维模型导入到 ANSYS Workbench软件中进行实体和边界定义，再利用网格生成技术，采用自动划分网格方法，即选择网格划分方式为Automatic，然后设置网格单元的尺寸（Body Sizing）；对于实体结构的应力分析，采用程序中默认的单元类型为10节点的四面体单元SOLID187单元，该单元具有二次位移模式，适用于生成不规则的网格模型。从而完成对叶轮结构的网格划分，网格划分完成后楔塞网格单元数量为112695个，节点总数为163385个，如图2所示。
（二）楔塞结构模型
基于弹性力学和结构静力分析的基本方程，采用有限元分析（FEA）法对楔塞结构进行数值分析，将旋塞阀流道流场的压强载荷通过简化处理后均匀加载到与流体介质相接触的表面上。根据有限元基本理论、最小势能原理，可以得到有限元方程：
[K]{δ}{F}
式中： [K]为楔塞总刚度矩阵
{δ}为整体结点位移向量
{F}为整体结点载荷向量
楔塞材料采用WCB（碳钢里面的一种铸造成型的钢），其材料属性如表1所示。
楔塞有限元模型的约束条件：楔塞在静力分析时是在确定的工况下进行分析的，楔塞提升后的位置是固定的，因此在楔塞与阀杆接触的地方添加轴向的位移约束来限制它的上下移动；楔塞与阀瓣接触面需要添加旋转约束，以限制楔塞在X方向和Z方向的转动。楔塞所受的载荷主要是流体对它的压强载荷，楔塞自身的重力与它所受的流体压强载荷相比是可以忽略不计的。流场的压强载荷从流场的分析结果中获得，经过简化后将压强载荷均匀加载到相应的接触面。在0.5开度时楔塞的载荷与约束如图3所示。
三、计算结果分析
通过对旋塞阀流场的数值模拟分析得到，当旋塞阀的开度大于50%时，随着开度的增加，旋塞阀楔塞受到的压强载荷变化不大，并且由于楔塞的受力与旋塞阀的开度成反比关系，即旋塞阀开度越大，楔塞受到的压强载荷越小。本文针对0.5开度、025开度和0.1开度三种工况对撑开式旋塞阀楔塞结构进行静力分析。图4、图5分别显示了3种工况下楔塞的等效应力与总变形的分布。
四、结论
（1）楔塞在小开度工况下，应力集中较大，变形较大，容易出现疲劳，运行时应尽量避免长时间小开度工况。
（2）在流场较高压强载荷的作用下，楔塞与阀杆接触的地方存在很大的应集中力，这不利于旋塞阀的稳定，可以考虑在楔塞的下部添加支撑，改善应力集中。
（3）楔塞的最大总变形出现在楔塞的中部与流体直接接触的地方，楔塞结构设计时可考虑只提高这部分的强度即可。
参考文献
[1]浦广益.ANSYS Workbench12 基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社.2010.10.
[2]刘明侯.fluent简明教程[M].2005.
[3]徐芝纶.弹性力学[M].北京：人民教育出版社，2004.06.
[4]练章华，宋周成，乐彬.旋塞阀结构流道开度推导及其冲蚀速度分析[J].石油机械，2008，（7）：14-18.
[5]康喜，李悦钦.旋塞阀的结构改进和强度校核[J].内蒙古石油化工，2008，（7）：63-64.
[6]雷林林.旋塞阀阀体的变形分析与结构优化[D].兰州：兰州理工大学硕士学位论文.2013.06.
【关键词】旋塞阀；数值仿真；等效应力；总变形
一、三维模型的创建
以X543FCL600型旋塞阀为分析对象，采用Pro/E对旋塞阀及楔塞进行三维建模，见图1。
二、楔塞结构分析
（一）网格划分
利用ANSYS Workbench与Pro/E的接口，将楔塞三维模型导入到 ANSYS Workbench软件中进行实体和边界定义，再利用网格生成技术，采用自动划分网格方法，即选择网格划分方式为Automatic，然后设置网格单元的尺寸（Body Sizing）；对于实体结构的应力分析，采用程序中默认的单元类型为10节点的四面体单元SOLID187单元，该单元具有二次位移模式，适用于生成不规则的网格模型。从而完成对叶轮结构的网格划分，网格划分完成后楔塞网格单元数量为112695个，节点总数为163385个，如图2所示。
（二）楔塞结构模型
基于弹性力学和结构静力分析的基本方程，采用有限元分析（FEA）法对楔塞结构进行数值分析，将旋塞阀流道流场的压强载荷通过简化处理后均匀加载到与流体介质相接触的表面上。根据有限元基本理论、最小势能原理，可以得到有限元方程：
[K]{δ}{F}
式中： [K]为楔塞总刚度矩阵
{δ}为整体结点位移向量
{F}为整体结点载荷向量
楔塞材料采用WCB（碳钢里面的一种铸造成型的钢），其材料属性如表1所示。
楔塞有限元模型的约束条件：楔塞在静力分析时是在确定的工况下进行分析的，楔塞提升后的位置是固定的，因此在楔塞与阀杆接触的地方添加轴向的位移约束来限制它的上下移动；楔塞与阀瓣接触面需要添加旋转约束，以限制楔塞在X方向和Z方向的转动。楔塞所受的载荷主要是流体对它的压强载荷，楔塞自身的重力与它所受的流体压强载荷相比是可以忽略不计的。流场的压强载荷从流场的分析结果中获得，经过简化后将压强载荷均匀加载到相应的接触面。在0.5开度时楔塞的载荷与约束如图3所示。
三、计算结果分析
通过对旋塞阀流场的数值模拟分析得到，当旋塞阀的开度大于50%时，随着开度的增加，旋塞阀楔塞受到的压强载荷变化不大，并且由于楔塞的受力与旋塞阀的开度成反比关系，即旋塞阀开度越大，楔塞受到的压强载荷越小。本文针对0.5开度、025开度和0.1开度三种工况对撑开式旋塞阀楔塞结构进行静力分析。图4、图5分别显示了3种工况下楔塞的等效应力与总变形的分布。
四、结论
（1）楔塞在小开度工况下，应力集中较大，变形较大，容易出现疲劳，运行时应尽量避免长时间小开度工况。
（2）在流场较高压强载荷的作用下，楔塞与阀杆接触的地方存在很大的应集中力，这不利于旋塞阀的稳定，可以考虑在楔塞的下部添加支撑，改善应力集中。
（3）楔塞的最大总变形出现在楔塞的中部与流体直接接触的地方，楔塞结构设计时可考虑只提高这部分的强度即可。
参考文献
[1]浦广益.ANSYS Workbench12 基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社.2010.10.
[2]刘明侯.fluent简明教程[M].2005.
[3]徐芝纶.弹性力学[M].北京：人民教育出版社，2004.06.
[4]练章华，宋周成，乐彬.旋塞阀结构流道开度推导及其冲蚀速度分析[J].石油机械，2008，（7）：14-18.
[5]康喜，李悦钦.旋塞阀的结构改进和强度校核[J].内蒙古石油化工，2008，（7）：63-64.
[6]雷林林.旋塞阀阀体的变形分析与结构优化[D].兰州：兰州理工大学硕士学位论文.2013.06.