由于大口徑閘閥閥體容納閘板的內腔通常爲扁圓形或接近橢圓形的異形容器，所以它的變形較大，如大圓和小圓的倒角處會出現應力集中。針對這些情形，通過采用在閥體內腔外圍加筋的方案來解決這些問題。本文以閥體最大等效應力爲目標函數，加強筋的結構尺寸爲設計變量，采用有限元軟件ANSYS—Workbench的DX模塊中的確定性優化方怯對筋的結構尺寸進行優化，使筋的結構分布更合理，使得整個閥體變形協調，最大等效應力顯著下降。
1．閥體有限元模型建立及優化分析過程
1．1 三维参数化模型的建立
閥體的參數化模型應該能准確反映結構的實際狀況，即其形狀、邊界條件和載荷與實際情況要保持一致，同時在保證計算精度的情況下，模型應盡可能簡化。因此在建模過程中對閥體的一些不影響總體性能的特征進行了簡化處理，忽略了一些不必要的倒角，最後的計算模型。
閥體的材料爲WCB，材料特性爲：楊氏彈性模量E=206GPa，泊松比μ=O.25，材料的許用應力[σ]=120.69MPa。
以阀体为分析对象，模拟阀体在水压试验时的受力状况。阀体在水压试验时，在阀体进出口两端法兰施加固定约束，中法兰施加y方向约束；根据閥門水压试验要求，按设计压力的1.5倍在阀体内表面施加7.5MPa压力作为计算压力。
依据图纸建立大口径閘閥，进行有限元单元划分，有限元网格单元的类型为10节点四面体，单元基本大小为30mm，单元总数目为30383个。
1．2 计算结果
經計算機求解後，得到由第三強度理論爲基礎的閥體等效應力。閥體最大等效應力爲151.65MPa，最大等效應力超出材料許用應力範圍，在閥體中腔有明顯的應力集中現象；閥體最大位移爲0.14735mm，也出現在閥體中腔處。原因是此處形狀發生突變，並且截面爲近似橢圓體形狀，受力狀況不好。因此，在閥體中腔外部加加強筋，以此增加閥體強度，降低閥體最大等效應力，位移變形量，使閥體變形協調。
1．3 加筋后的模型
根据閘閥中腔外壁的结构尺寸加三筋，三筋中靠近中法兰的为第一条筋，往下依次为第二条筋和第三条筋，第一条筋处中腔外壁形状接近圆形，筋设计成圆形；第二条筋和第三条筋设计成近似椭圆形。
加強筋有沿厚度方向和垂直于厚度的徑向方向。
在徑向方向，近似橢圓形結構尺寸主要由小圓半徑R1，大圓半徑R2，過渡倒角R6決定。
圆形结构尺寸由圆半径R決定。分别以：
第一條筋的圓半徑r1=314.4mm爲第一個參數；
第二條筋的小圓半徑r2=314.4mm，大圓半徑r3=1275mm，過渡倒角r4=200mm爲第二,三，四個參數；
第三條筋的小圓半徑r5=314.4mm，大圓半徑r6=1230mm，過渡導角r7=100mm爲第五，六，七個參數。
在厚度方向，分別以：
第一條筋的厚度h1=30mm爲第八個參數；
第二條筋的厚度h2=30mm爲第九個參數；
第三條筋的厚度，h3=30mm爲第十個參數。
1．4 加筋后的计算结果
加筋後，進行力學分析，閥體最大等效應力下降爲100.23MPa。閥體中腔處最大位移減小爲0.086868mm。
加筋後，閥的質量由原來的616.3kg增加到654.4kg。筋的質量增加了38.1kg增加了6.18個百分點．閥體最大等效應力由151.65MPa下降爲l00.23MPa，下降了33.9個百分點。並且應力分布更加均勻。閥體中腔處的位移也顯著下降。
但这还不是最理想结果，本文研究的大口径閘閥阀体中腔为连续渐变的椭圆结构，其受力十分复杂，在其外部加的加强筋结构参数也多。我们不能盲目通过增加筋的厚度和横向尺寸，来降低阀体的应力，这样会增加阀体质量和成本；除此之外，阀体还受铸造工艺。安装要求的限制。因此，我们也不能盲目增加加强筋，有必要对加强筋的结构进行优化。即在一定的设计范围内。寻求结构的最优解。因为合理的加强筋结构质量分布更能提高阀体强度与刚度。
2．閥體加強筋結構優化
2．1 影响阗体强度的加强筋结构参数化及其优化
以閥體質量約束條件下閥體最大等效應力更小化爲目標函數，以閥體加強筋結構的尺寸作爲設計變量，對閥體加強筋結構進行優化。本文僅以加強筋的六個主要參數來研究它們對閥體最大等效應力影響。
對加強筋r1,r3,r6,h1,h2,h3的進行參數化，分別以這些參數爲優化變量進行優化。
(1)優化目標：閥體最大等效應力。
(2)加強筋結構參數化
第一條筋的半徑ds_R1爲設計變量，初值爲314.4mm，根據螺栓安裝要求確定優化範圍爲290～330/mm；
第二條筋的大圓半徑ds_R2爲設計變量，初值爲1275mm，根據閥安裝要求確定優化範圍爲1250～1310/mm；
第三條筋的大圓半徑ds_R3爲設計變量，初值爲1230mm，根據閥安裝要求確定優化範圍爲1210～1270/mm；
第一條筋的一半厚度ds_FD1爲設計變量，初值爲15mm，根據螺栓安裝要求確定優化範圍爲7～15/mm；
第二條筋的一半厚度ds_FD2爲設計變量，初值爲15mm，根據鑄造要求確定優化範圍爲7～20/mm；
第三條筋的一半厚度ds_FD3爲設計變量，初值爲15mm，根據鑄造要求確定優化範圍爲7～20/mm。
(3)優化方法：采用一階優化方法，即通過對目標函數添加罰函數將有約束的多變量非線性規劃問題變成無約束的非線性規劃問題，以因變量對設計變量的偏導數來決定搜索方向，自動運行優化程序，在優化的每一次循環中都對模型重新劃分網格，完成優化分析。
(4)參數的靈敏度分析
由圖10可知，參數的靈敏度顯然不同，FD3即第三條加強筋厚度的靈敏度最高爲O.1770，R1即第一條加強筋半徑的靈敏度最低爲-0.0128。同時這些參數的靈敏度符號不同，有正負之分，正號表示隨參數的增加，閥體最大等效應力在減小，負號表示隨參數的增加，閥體最大等效應力在增加。在本文指定的設計參數中，閥體第三條加強筋厚度對閥體最大應力的影響所占的比重最大；其次爲第二條加強筋厚度和第二、三條加強筋大圓半徑；第一條加強筋的厚度和半徑兩個參數對閥體最大等效應力的影響比重最小。
(5)參數對閥體最大等效應力的影響
第一條加強筋設計變量ds_FD1接近11mm時，閥體最大等效應力最大，當偏離這個值時，應力減小很快。如圖11所示。
第二條加強筋設計變量ds_FD2逐漸增大時閥體最大等效應力逐漸減小。如圖12所示。
第三條加強筋設計變量ds_FD3接近16mm時，閥體最大等效應力最小，當偏離這個值時，應力上升很快。如圖13所示。
第一條加強筋設汁變量ds_R1接近305mm時，閥體最大等效應力最大，當偏離這個值時，應力減小很快。如圖14所示。第二、三條加強筋與第一條加強筋情形相似。
以上是單個參數對閥體最大等效應力的影響，下面是兩個組合參數對閥體最大等效應力的影響即應力強度設計空間，如圖15所示。
經優化後得到設計變量的優化值：
第一條筋的半徑R1，由初值爲314.4mm變爲324.55mm；
第二條筋的大圓半徑R2，由初值爲1275mm變爲1301mm；
第三條筋的大圓半徑R3，由初值爲1230mm變爲1258.5mm；
第一條筋的一半厚度FDl，由初值爲15mm變爲8.9261mm；
第二條筋的一半厚度FD2，由初值爲15mm變爲10.458mm；
第三條筋的一半厚度FD3，由初值爲15mm變爲17.946mm；
由此，我們求得在一定的設計範圍內，加強筋結構合理分布的最優解。
優化後第一、二條筋的厚度減小，第三條筋的厚度增加；第一條筋的半徑和第二、三條筋的大圓半徑都有所增大。
2．2 结构优化后计算结果
優化後的模型進行對有限元分析，材料、網格劃分、約束與載荷同改進前相同。
進行優化以後，閥的由原來的質量616.3Kg增加到660.9Kg，筋的質量增加了44.6Kg增加了7.2個百分點，閥體最大等效應力由151.65MPa下降爲97.33MPa，下降了35.82個百分點；閥體中腔處最大位移減小爲O.082023mm。加強筋優化前後結果比較，見表1。
3．結論
(1)閥體進行加強筋設計後，其閥體強度得到了改善，改進後的閥體等效應力最大值下降了33.9％；閥體中腔處最大位移減小。
(2)利用確定性優化方法優化筋的結構尺寸後，使加強筋結構更合理，閥體最大等效應力更顯著下降，下降35.82％：且應力分布更均勻；閥體中腔處最大位移減小，閥體變形更加協調，密封性能得到很大改善。
(3)利用有限元软件ANSYS优化分析模块对大口径閘閥阀体进行结构的优化，大大缩短閥門设计周期，提高设计效率，使阀体结构设计合理。
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