外压作用下球壳阀芯失稳的有限元模拟和实验研究

    一、引言

    石油工业需要一种表面光洁耐腐蚀的薄壁结构阀芯件实现密封,并要求能在原油中浮起且能承受一定的外压,为此设计了球形壳阀芯。结构设计、材料的选用、强度计算及其校核是工程设计须考虑的基本因素。当理论计算不考虑球壳的几何缺陷和物理缺陷时,球壳能承受的理论外压通常数倍于实际件的承受压力,这一巨大的差别使得理论计算不能广泛应用于实际生产[1][2]。随着近代稳定性理论如非线性前屈曲一致理论、非线性大挠度稳定理论和初始后屈曲理论等的提出,借助于计算机技术理论结果与试验结果有了较好的符合。现在许多商业有限元软件已经能够很好地进行薄板冲压成形过程的分析,可以解决一些实际问题,得到精度较高的分析结果[3][4]。FEMB/Ls-dyna3d是专门用于板料成形非线性分析的有限元程序,可以进行线性、非线性静力、动力问题分析[5]。本文采用有限元软件FEMB/Ls-dyna3d模拟分析了薄壁结构几何参数对结构强度的影响,并通过试验制造了球壳阀芯件,同时进行了强度校核和验证。

    二、有限元模拟参数

    实际阀体的密封面是锥面,且直径在60mm到80mm之间,并要求阀芯能承受13MPa的外压。由于球壳的耐压性能好于柱壳和锥壳,而且便于密封,因此采用不锈钢球形壳阀芯。在模拟时选取了3种直径,每一直径均分析了5种厚度,参数见表1。制造球壳件通常是先冲压出两个半球形,然后修边焊接成形。由于焊缝处的强度高于基体,所以模拟时,焊接处的单元节点进行了约束。有限元模拟中球壳的划分采用了Hughes-Liu (HL)单元。由于HL壳单元是从三维实体单元退化而来,考虑了弯效应,可以适应于任意复杂变形,因而具有较高的计算精度。

    三、有限元模拟结果分析 

    1·典型的失稳过程

    图1是球壳在外压下失稳的网格变化过程。从图中可以看到随着外压的增加,球壳的网格畸变不是很明显,即使在前屈曲平衡状态也即失稳的前一步也只是发生了整体的压缩变形,总位移量也不是很大(图1c)。当超过分支点后,球壳能承受的外压力迅速下降产生屈曲破坏(图1d),屈曲点处的位移也突然快速增加这说明失稳具有阶跃性。

    2·失稳过程分析

    图2显示了球壳失稳压力、厚度与直径的关系。可见相同厚度球壳的失稳压力随直径的增大而减小,而在球半径相等时失稳压力则随厚度的增加而增大。虚线P1是要求必须承受的失稳压力, P2是考虑安全系数(取1·2)后的失稳压力值。线P1以下是安全区, P1与P2之间是危险区, P2以上是失稳区。在实际设计时,球壳的几何尺寸的最好落在线P2以上,当然同时也应当考虑节省材料以降低成本,因此几何尺寸也不能偏离线P2太远。