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基于ABAQUS的浮动球阀密封比压分析

田硕，王谷明

（华东理工大学，上海市200237）

摘要：本文以浮动球阀为研究对象，以有限元软件ABAQUS为计算工具，模拟分析了浮动球阀在装配预

紧过程中，阀座密封面实际密封比压的分布情况及其变化规律，为浮动球阀的设计和使用提供了依据。

关键词：浮动球阀；阀座；密封比压

Sealingpressureanalysisoffloatball-valvebasedonABAQUS

Abstract：Inthispaper,thefiniteelementsoftwareABAQUSisusedtodiscussthedistributionofsealing

pressureattheseatsealingsurfaceoffloatingball-valveinassemblypreloadedprocess,whichprovidesthe

basisforthedesignanduseoffloatball-valve.

Keywords：floatball-valve；seat；Sealingpressure

1引言

球阀是一种压力管道元件，是用来改变管道断面和介质流动状况、控制输送介质的压力、流量、温

度的一种装置[1]。球阀的工作原理是借助驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩传给球体，使其旋转90°，

完成开启或者关闭阀门的动作[2]。

浮动球阀的球体自由支撑在阀座上，在流体的压力作用下，球体在压力方向上产生位移，使其与阀

后阀座密封面更紧密的接触，即在该密封面上的比压增大，形成单面密封；同时，阀前阀座密封面上的

比压相应减少，往往不能保证密封。比压即作用于密封面单位面积上的压力，密封面比压是评价阀门的

一项重要指标，在实际工程中采用近似公式计算，由于公式是有密封面平均直径计算得到的平均密封比

压，不能反映密封面实际比压的情况[3]

。

本文以一种三体式浮动球阀为研究对象，通过应用有限元分析软件ABAQUS，模拟计算浮动球阀装

配预紧过程，明确了装配预紧过程中阀座密封面的密封比压分布情况及其变化规律，为阀门设计和使用

提供了相对准确的参考。

2有限元模型

2.1问题分析

本文针对一种8class600级的三体式不锈钢对接焊球阀进行研究。其结构如图1所示，阀门由进口

侧法兰、进口侧阀座、球体、出口侧阀座、出口侧法兰、保持环、阀体及阀杆组成。法兰、阀座以及球

体的装配长度与阀体长度间存在间隙δ1、δ2（对称结构，进口侧δ1=出口侧δ2），即阀门的装配间隙。在

阀门安装后，法兰和阀体间为无间隙配合（螺栓拧紧消除间隙），进、出口法兰均向球体方向移动位移δ1

（δ2），两侧法兰压紧阀座和球体，使球体和阀座间产生装配预紧力。阀座为弹性元件，装配时阀座被压

缩，在预压缩量不足的情况下，将不能保证球阀的密封性。利用有限元分析软件ABAQUS，对浮动球阀

建立有限元模型，模拟浮动球阀装配预紧的过程，确定装配过程中，阀门法兰预紧位移与阀座密封面比

压的关系及其变化规律。

L

δ1δ2

件8

件1

件7

进口出口

件2

件3

件6

件4件5

图1.三体式不锈钢对接焊球阀结构

件1：球体；件2：进口侧阀座；件3：出口侧阀座；件4：进口侧法兰；

件5：出口侧法兰；件6：保持环；件7：阀体；件8：阀杆

2.2有限元模型[4-7]

由于阀门结构的对称性，选取球体和一侧的阀座、保持环建立三维有限元（FEM）模型。材料：阀

座实际材料为聚甲醛材料，模型中假定为其弹性体，材料参数从相关试验获得，杨氏模量(Youngs

Modulus)=1800MPa，泊松比(Poisson’sRatio)=0.35；其余结构材料为316不锈钢，模型中设置为解析刚体，

不需赋予材料参数。尺寸：球体外半径R=119.17mm；阀座几何尺寸如图2，其中阀座内表面曲面直径

BD=238.34～250mm（建立4个不同内表面曲面直径的模型）。模型中球体为解析刚体模型，无需划分网

格；阀座为可变形体，网格划分情况如图3所示，其中包括66405个C3D8R三维单元，73628个节点。

边界条件：对球体设置固定约束，限制球体各个方向平移和转动自由度；对阀座底部与阀门法兰接触的

部分设置位移边界条件，方向垂直阀座底面指向球体。相互作用关系：对阀座和球体定义有限滑移（finite

sliding）接触关系，摩擦模型为库伦摩擦，摩擦系数0.11。

202.3

148.2

图2阀座尺寸

（a）整体网格划分（b）截面网格划分

图3.阀座网格划分

（a）分析模