1．引言
閥門的强度和刚性在閥門设计中是非常重要的，然而，在有关设计手册和材料力学中，对这方面的描述很少，设计人员只能近似计算或根据经验类比设计，存在较大风险，特别是一些高压力、大口径的閥門，问题更多。近年来，随着有限元分析理论的普及，特别是很多通用有限元分析软件的使用，使得閥門强度和刚性的计算变得较为容易。
2．有限元分析的力學基礎簡介
有限元分析的數學基礎是變分原理，基本思想是離散化和分片插值，用網格去逼近所分析的物體。設想把一個連續的彈性體用一個離散的結構物來代替，這一離散結構由若幹個有限大小的構件在節點上相互鉸接而成。這些構件稱有限單元，或簡稱爲單元，鉸接點稱爲節點。在有限元法中，通常是以位移作爲基本未知量，彈性體受力後，其內部各點將沿X，y，Z三個坐標方向發生位移，如各點沿x、y、z方向的位移以U，V，W表示，即
U=U(X，y，Z) V=V(X，y，Z) W=(X，y，Z)
由彈性力學幾何方程可知，應變與位移間的幾何關系是：
式中：εx、εy、εz爲三個方向的線應變，γxy、γyz、γzx爲剪應變。
上述分量可用陣列{ε}表示
{ε}=[B]{δ}
ε：應變 [B]：應變矩陣 [δ]：節點位移
由彈性力學物理方程可知，在線彈性範圍內，應力應變間的物理關系可用矩陣形式表示爲：
{б}=[D]{ε}
[D]：彈性系數矩陣
而根據虛功原理，單元的節點力可表示爲{F}=[K][δ]
{F}：單元的節點力 [K]：單位的剛度矩陣
然後，我們再將每個單元上的外載荷等效地移置到各節點，這樣，求解應力應變就變成了如何確定單元的節點位移。一個離散化的結構是由若幹個單元組成的，各單元在節點上用鉸相互連接，就某一指定的單元來說，周圍各相鄰單元對它的作用就是節點力，而作用于結構上的外載荷又都已向各單元相互鉸接的節點移置，這樣，連接各單元的節點，即受到節點力的作用，又受到移置後的外載荷的作用，于是可以建立各節點移置載荷和節點力之間的平衡條件，組成整體剛度矩陣，得到以節點位移爲未知量的線性方程組，解以上線性方程組就可以求出節點位移，從而求出應變和應力。
3．有限元模型建立和結構分析
3.1 ANSYS與Pro/E軟件的無縫連接
ANSYS有限元分析软件是当前最为流行的大型通用有限元分析软件之一，在国防、交通、土木水利工程、汽车、机械工程等各个领域得到了广泛的应用，覆盖了力学、热学、流体力学、电磁学等各个学科。它主要由3个模块组成：前处理、求解及后处理。在前处理模块中，ANSYS提供了实体建模和直接建模工具，但对于比较复杂的模型，ANSYS建模还是比较麻烦，人们更习惯从Pro/E、UG等程序中建模，再导入ANSYS中。Pro/E是美国参数化设计公司(PTC)推出的三维造型软件，具有非常强大的实体造型能力，它与ANSYS的连接可采用IGES(Initial Graphics Exctlange Specification)文件交换共享，也可以将ANSYS集成在Pro/E中，实现无缝连接。连接方式为：开始>程序>ANSYSl0>utilities>ANS_ADMIN→Configuration options→Configuration Connection for pro/E，确定后在打开的对话框内将图形显示设备设置为3D，最后在Pro/E安装信息框输入Pro/E的安装路径，确定后即完成连接。打开Pro/E，在菜单管理器中有了 ANSConConfig和ANSYSGeom菜单。完成建模后，直接点击ANSYS Geom，系统自动打开ANSYS将当前模型导入到ANSYS中，然后“plot”“Volume”选项，就可以将实体模型显示出现，从而实现无缝连接。对于ansysll.0，由于ANSYsll-utilities-ANS_ADMIN菜单中取消了Configuration Configuration for pro/E项，因此需要在安装时配置：首先安装pro/e，记住安装路径，当安装ansysll.O时，在对话框窗口把有关与pro/e无缝集成的选项前的复选框内打上钩，当提示你输入pro/E的安装路径时，输入相关路径，既可完成联接。
需要注意的是：連接時要注意版本配合，Pro/E版本不能高于ANSYS同期版本。
3．2 有限元模型建立和荷載施加
3.2.1 几何模型建立
在Pro/E中，通過拉伸、旋轉、混合等手段建立水輪機進水蝶閥(如图)阀体和蝶板三维模型，对一些与强度和刚度关系不大的细部结构，可以进行简化。由于蝶閥几何形状和受力状况为对称结构，为节约计算机运算时间，可以只选取一半来分析。建模时，应注意单位的统一，建议使用国际单位制。长度：m，力：N，质量：千克。
3．2．2 单元选取和网格划分
对閥門和蝶板，可选取用十节点的solidl87单元，利用ANSYS智能网格划分工具MeshToot，采用四面体自由划分网格。网格的疏密程度可根据产品要求决定，对重要部位可局部细化。
3．2．3閥體約束及荷載
进水蝶閥阀体上游法兰与上游短管联接，上游短管与进水钢管焊接，下游法兰与下游短管和伸缩节连接，故可在上游法兰上施加固定约束，而下游法兰呈自由状态，然后在剖断部分加上对称约束。閥門在动水关闭时和水压试验时，阀体受力最大，此时阀体承受管道的水压力，轴头部位还承受通过阀轴传来的集中力，因而在分析时，在阀体体筒内表面施加压力荷载，在轴头部位施加集中力荷。
3．2．4 蝶板约束及荷载
施加固定約束與閥軸外圓上，在剖斷處，施加對稱約束，在蝶板平面施加均布壓力，即完成對蝶板的載荷施加。載荷施加完畢後，即可進行求解運算。
4．結果分析
通过 ANSYS 的通用后处理器，我们可以得到产品的主应力、剪应力、等效应力以及产品变形等彩色云图，再根据强度理论来判断产品的受力情况。对于脆性材料，通常采用第一强度理论，使第一主应力б1≤[б]，对于塑性材料， 则采用第四强度理论，使等效应力Von Mises stressa≤[б]即能满足强度要求，至于变形程度则根据产品设计需求确定。从阀体和蝶板应力和变形云图中，可看出阀体最大应力为160MPa，最大变形为0.391mm。均位于轴头处。蝶S板最大应力为164MPa，筋板边缘和阀轴根部应力较大。最大变形为1.187mm，位于蝶板中部边缘。
通過有限元分析計算，使設計人員能夠准確地判斷産品的受力和變形情況，進行各種方案的比較，優化産品設計。
5．結論
使用有限元分析技术对于提高閥門设计水平，优化结构，降低产品成本，有着重要的意义。
有限元分析的分析結果應與實際生産實踐相結合，若有不同，應修改模型邊界條件，使計算結果與實際工況相吻合。有條件的企業，最好能通過貼應變片的方法測出應力和變形，再與計算結果進行比較。
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