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1、StructuraloptimizationforballvalvemadeofCF8Mstainlesssteel（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！）CF8M不锈钢结构改进球阀摘要:通过实验研究了CF8M的机械和化学性能。在阀体内CF8M的一个应用程序通过分析利用有限元方法(FEM)来评估结构安全。一个优化变量,其中包含一些基于响应面法(RSM)进行寻求最佳尺寸的阀。结果表明,使用该过程可以节省阀质量以及有效的计算费用。关键词:球阀/CF8M不锈钢/权衡方法/响应面方法/优化1.引言球阀已经广泛应用于各种行业。它是通过转动手柄打开里面的球上的
2、阀。球中间有一个孔或端口,所以，当端口两端的阀照齐时，流体就能通过。当阀门关闭,孔垂直于阀门的两端,流体就会受阻。这种球阀耐用；并且，即便经过多年的停止使用，它通常也能够实现完美的关闭。在过去，由于它是不透明的，很难调查流体在一个球阀内的具体情况。这个困难也阻止了进一步理解和改善球阀。随着计算机技术的发展,可视化的流型和流固耦合分析变得越来越容易。许多研究已经研究了在一个球阀流体。KERHetal[1]利用有限元方法来模拟瞬态相互作用的流体和结构控制阀。MERATIetal[2]采用商业软件包,FLUENTTM调查绕流的一个v型球阀。戴维斯和斯图尔特[3]采
3、用FLUENTTM研究了在全球控制阀门的流体。CHERNetal[4]研究性能测试和流动可视化的球阀使用粒子跟踪流动显示方法。在最近研究中同时考虑了两流体特征和结构安全。SONGetal[5]通过拓扑优化和尺寸优化进行了一个蝶阀的结构设计。这个研究的主要目的是同时优化流体系数、质量和结构安全的球阀。首先,材料的实验研究了A296CF8M的属性。然后,CFD和FEM分别进行了这种球阀的有限元分析,以计算阀瓣的压力损失系数和最大应力。最后,进行了计算机实验和优化方法调查,以获得最优的结果。2.几何和材料属性10Structuraloptimizationforb
4、allvalvemadeofCF8Mstainlesssteel球阀研究工作有一个节段结构,见图1。耳轴安装时,球是由上部和下部阀杆茎在相反的位置支撑。球是由CF8M组成，这是CF8类型的添加钼提高一般耐腐蚀和高温提供更大的力量一个修改体。图2显示了微结构的CF8M奥氏体不锈钢。显微组织主要是奥氏体一般含,铁素体5%-8%。铁素体增加强度期间和之后凝固,这大大降低了热裂缺陷发生的可能性。在热处理条件下,合金有一个主要的奥氏体结构用少量的铁素体(15%−25%)分布在整个矩阵的形式的不连续池。当合金加热范围在427−871℃(比如在一个焊接操作),池为碳沉淀提
5、供优先位置,这样由于合金的晶间腐蚀引起的降水在奥氏体晶界碳化物，合金的碳化物沉淀的敏感性降低。现在的数量会随着碳含量铁的合金是增加的。通过适当的平衡的构图,合金可以完全奥氏体和非磁性。在操作温度649℃或更高,铁氧体可能转换到脆性相。最大的耐蚀性,然而,有关低碳和高铬含量,因为这个原因,部分铁素体CF8M类型通常是受雇于操作温度低于538℃。CF8M的材料性能通过样本实验测试获得。应力-应变曲线显示如图3。CF8M相应的材料属性,可以得到如下。σy屈服强度、弹性模量和泊松比的分别是308MPa,CF8M193GPa和0.27。图1Segmentalball整
6、流管10StructuraloptimizationforballvalvemadeofCF8Mstainlesssteel图2微观结构的ASTMA296CF8M不锈钢3.优化球3.1假设,加载条件和数值分析每个球阀厂家有自己的加载条件和相应的标准。在实践中加载条件是最严重的服务负载。它是由两个条件组成。一个是阀关闭时相关的静态压力,另一个是定义在流动条件的近似速度3m/s。封闭和开放的最佳条件（在服务载荷，这可能是最糟糕的加载情况）考虑在优化过程。有限元模型与四面体元素网状第一荷载条件和CFD模型与额外的向上和向下的管如图4所示。经过七种情况分析(阀门被打
7、开在0°,15°30°,20°、70°,50°、90°),如图5所示，最大应力发生在当阀门关闭时球连接的地方和上杆之间，其值为158.1MPa。图6显示了压力分布在50°时的开放程度,通常用于这种类型球阀。从图6可以看出，在流体流动的方向，压力下降非常明显。根据分析结果，安全系数约为1.9，高于所需的值为1.5。这意味着这最初的设计满足强度要求，并且可以进行一个新的设计，以减少了球的质量。图3CF8M不锈钢的应力-应变曲线3.2问题公式化和范围从之前的分析和用户的要求这种类型的球阀看,设计目标是使球的质量最小化,同时压力损失系数K1在50°开放程度和当阀关闭
8、时的最大应力之间。因此,目标函数和约束函数可以定义如
