[发明专利]一种基于冲蚀磨损的阀体壁厚轻量化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于冲蚀磨损的阀体壁厚轻量化设计方法，包括以下步骤：首先根据阀门的设计文件进行三维建模，建立完整的阀门实体模型，通过进行阀门的流道抽取，建立阀门内部流道模型；通过网格划分，通过数值模拟方法，利用计算流体力学软件进行阀内的流场计算；通过对计算结果的后处理，实现阀体流场的可视化，确定阀内的磨损区域与非磨损区域；通过对阀体非磨损区域参数的量化定义，设置实验点，对阀体进行结构优化。本发明能够优去除阀体的冗余壁厚，减轻阀体质量，避免了繁琐复杂的理论计算与实验校正，大大简化了阀体的设计过程，为阀体轻量化设计提供了新的思路。

技术领域

本发明属于工业阀门设计领域，具体涉及一种基于冲蚀磨损的阀体壁厚轻量化设计方法。

背景技术

阀门作为工业管道系统中的关键部件，对流量、压力、温度等参数起调节和控制作用，广泛应用于航天、军事、核能、电力等领域，被称为工业系统的“咽喉”。我国中高端阀门相关技术水平正处于由低向高挺进的关键阶段，轻量化、智能化、集成化将是调节阀发展的主流方向。阀门的轻量化发展将为我国节约大量的材料，有效降低阀门的经济成本，扩展阀门的应用领域，对推动我国阀门行业的发展具有重要意义。得益于计算机技术的发展，计算流体力学方法可实现阀内复杂流体流动的可视化，这种方法一方面可以在理论计算中尽量减少简化和假设，从而使计算结果尽量贴近真实解，避免了反复试算与矫正；另一方面，几乎不需要进行实验矫正，从而节省了大量的经济成本。当前，虽然将计算流体力学方法运用于阀门设计已有一定的基础，但是未有针对流场与结构场协同设计的优化方法，未有针对阀门轻量化设计的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的缺陷，并提供了一种基于冲蚀磨损的阀体壁厚轻量化设计方法。本发明通过流场的可视化，将阀体分成磨损区和非磨损区，基于等强度原则建立非磨损区的特征参数，去除其冗余壁厚，来改善阀体的结构，减轻阀体的质量，实现阀门阀体的轻量化设计。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供了一种基于冲蚀磨损的阀体壁厚轻量化设计方法，具体如下：

S1：根据待优化阀门的设计文件，通过三维建模软件构建阀门实体模型；根据所述阀门实体模型，抽取出阀门内部流道模型；通过网格划分软件，将所述阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型；

S2：利用计算流体力学软件，根据待优化阀门的设计文件，在所述内部流道网格模型中，对流体入口面设置压力入口边界条件、对流体出口面设置压力出口边界条件、对阀门内壁面设置无滑移壁面边界条件，并对内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性，得到赋值内部流道网格模型；

S3：在计算流体力学软件中，利用所述赋值内部流道网格模型，计算得到阀体内壁面的磨损速率；根据所述磨损速率，在所述阀门实体模型中划分若干磨损区域V_i和若干非磨损区域W_j，其中，1≤i≤n，1≤j≤m，n为磨损区域的总数，m为非磨损区域的总数；所有磨损区域和非磨损区域的体积总和与所述阀门实体模型的体积相同；

S4：通过网格划分软件，将所述阀门实体模型离散为阀门实体网格模型；

S5：利用静力学分析软件，在所述阀门实体网格模型中，将阀内流域内壁面的压力数据作为阀门实体内壁面的压力载荷，将与待优化阀门相连的管道下游端面设置为固定约束；将与待优化阀门相连的管道上游端面设置为位移约束，约束方向为上游管道轴向方向；随后计算得到待优化阀门的应力分布情况；

S6：对每一个非磨损区域W_j，根据所述应力分布情况得到该区域的最大应力值，随后将最大应力值划分为一次总体薄膜应力、一次弯曲应力、局部薄膜应力、二次应力和峰值应力；

定义