以NPS12—Class150楔形闸阀为研究对象,对闸阀阀体中腔加强筋结构与位置进行正交试验设计,通过Kriging代理模型对正交设计结果进行曲面插值后,利用遗传算法对Kriging代理模型求取最优值,实现闸阀阀体强度及其密封性能优化。数值模拟验证结果表明:与优化前相比,优化后的闸阀最大等效应力减小了29.97%,最大位移量减小了44.31%,最小密封比压从0MPa增加到16.243MPa,且密封间隙为0mm。

选择NPS10 Class600硬密封固定球阀为研究对象,分析球体尺寸、阀座尺寸、摩擦系数等因素对密封性能的影响。将阀座密封结构尺寸分为四纵四横及角度共9个结构参量,建立有限元模型,分析工作条件下球阀密封副的变形及密封,并对阀座结构进行优化。结果表明:球体与阀座密封面的摩擦系数对最大密封间隙和变形量影响大;阀座高度方向的尺寸可显著提高阀座刚度以及密封副密封性。尺寸优化后密封效果提升显著。

针对闸阀密封面局部密封比压大于材料许用比压的现象,对阀座密封面宽度进行优化设计以保证闸阀的密封性。优化前阀座密封面宽度为5 mm,在[4,6. 5]宽度范围内,对以0. 5 mm为步长的6组模型进行数值模拟仿真,并对结果进行数值拟合,获得临界密封面宽度值,最后进行仿真试验验证。结果表明:6组模型密封比压值成线性关系,通过线性拟合得出材料许用比压150 MPa对应的临界密封面宽度为5. 6 mm,数值试验验证此时密封比压为151. 69 MPa,相对误差为1. 13%。

采用椭圆簇法,以轴流式止回阀阀芯中阀瓣型线和导流罩型线的丰满系数为设计变量,进行组合优化设计。由均匀试验设计获得8组方案,为了提高插值精度和可靠性同时补充8组试验结果,数值试验后由Biharmonic样条插值获得阀瓣丰满系数和导流罩的丰满系数最优组合,最终得到压力损失最小的阀瓣型线和导流罩型线。结果表明:由Biharmonic样条插值获得的阀瓣型线丰满系数为0.574,导流罩型线丰满系数为0.986,数值试验得到理论最小压降值为524.06 Pa,流阻系数为0.26。