应用ABAQUS於球阀组装应力分析-财团法人车辆研究测试中心.PDF

應用 ABAQUS 於球閥組裝應力分析 蔡起源,張祐誠 財團法人車輛研究測試中心 摘要 本文主要藉由有限元素法軟體ABAQUS探討浮動式閥球之設計公差對閥球與閥座組裝 於閥體後，受到管內液體壓力之閥座應力分佈、閥球與球座接觸面積的影響。文中亦針對製 造公差所造成的接觸壓力與接觸面積不足的情況提出設計改善方案。 關鍵字： 球閥、有限元素法、公差 一、緒論 對管路系統進行開關。本文分析的閥球結/ 閥在工業的應用上非常廣泛，舉凡與 構為浮動式結構，構造如圖 1所示。其構造 管路輸送相關皆需要使用，如石化工廠輸送 之受力情形為，開始時閥球置於閥體內並未 石化產品，天然氣；食品工廠輸送自來水或 受到閥體或閥桿的拘束，組裝時，緊迫環向 產品。在工廠中閥雖小但是卻舉足輕重，因 前擠壓上游閥座，閥球即受到上、下游閥座 為閥若失效，輕則財物損失，重則危及人員 的夾制，當球閥關閉且承受管內之液體壓力 生命安全。 時，閥球將因液壓壓力而向下游閥座推擠， 閥有各式各樣的型式如閘閥、針閥、 如此下游閥座將更加緊迫，下游閥座之洩漏 塞閥與球閥等等，然而所有閥類皆需要面臨 可能性降低，但此時上游閥座將因閥球的位 輸送物體是否有洩漏的可能性。一般球閥類 移而有變形放鬆的情況。 皆採用密封構造來防止洩漏發生，藉由密封 元件受力變形，以填補接觸面縫隙的方式達 三、有限元素分析模型 到密封的目的。然而此受壓的密封元件容易 因為時間的累積而發生應力鬆弛或因溫度 3.1 元素大小選擇 的影響而老化；或因不斷的開 關而磨損或/ 閥球與閥座的接觸面為一圓弧面，但是 液壓反覆的施加而失去彈性，造成密封元件 經過網格離散化後其接觸面將不再平滑，此 功能漸漸失效而發生洩漏。 不平滑的現象將影響分析的精度，為了能夠 一個較佳的閥座設計應有足夠的接觸 快速獲得分析結果但又不失分析結果的精 壓力與接觸面積且有較小的接觸應力藉由 確度，本文先針對 2mm 、1mm 與0.5mm 這 有限元素分析可使設計人員快速地獲得閥 3 種元素大小進行接觸面積的收斂性分 座應力分佈、閥球與球座的接觸面積與接觸 析。分析模型如圖2所示，各零件的材料性 壓力，以評估設計的優劣，並為後續的預壓 質如表 1 ，分析時閥座底部固定並將閥球往 鬆弛、循環負載與磨耗鬆弛等分析試驗研/ 閥座推擠 0.2mm ，各元素大小的接觸面積分 究提供分析資料。 析結果如表2所示，由表 2可知接觸面積與 接觸應力皆往 0.5mm 元素的方向收斂，其 二、浮動式球閥簡介 中當元素大小為 1mm時接處面積已經與元 素大小為0.5mm 相當，表示接觸面積已經 2.1 球閥簡介 收斂，為了不使分析時間過長後續的分析將 閥是管路系統的重要元件之一，其功能