1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ）DN50 蝶阀流动特性分析及结构优化专业名称 机械设计制造及其自动化毕业论文 IDN50 蝶阀流动特性分析及结构优化摘要：蝶阀被广泛的用于发生炉、天然气、煤气、城市煤气、液化石油气、冷热空气、城市煤气、发电环保和化工冶炼等系统工程中，以及运送各种具有腐蚀性的流体或者没有腐蚀性流体介质的管道系统上，它的直接作用是调节或截断介质的流动。蝶阀在阀类中是属于一种结构比较简单的调节阀类。圆盘形的蝶板是蝶阀的关键核心，当它在阀体内绕其自身的轴线调节旋转的一定的角度，从而达到启闭或调节的目的，在管道中主要起切断和节流作用。长期以来，在蝶阀设计中一般采用查手册或经验设计方法，设
2、计工作在精度、可靠性等方面有一定的局限性。在运用传统的设计计算方法设计蝶阀结构时，为了使蝶阀结构的强度、刚度等满足要求，往往采用加大安全系数的办法，这样很可能造成蝶阀比较笨重、结构不合理等问题。在国外，对蝶阀的设计研究比较多，不但采用现代设计手段对蝶阀的结构进行改进，还对蝶阀产生的噪声进行了分析。为了实现蝶阀的轻量化，提高蝶阀的性能，国内学者也已经将有限元分析技术运用于蝶阀的设计研究，并取得了一定的成果。本毕业设计针对 DN50 的不同类型蝶阀，开展流动特性分析，对蝶阀进行结构设计与三维建模，然后将蝶阀的模型通过用软件 solidworks 和 Ansys 进行仿真和对蝶阀进行流场分析，在此基
3、础上开展蝶阀结构优化。关键词：蝶阀； 结构设计； 流动特性分析； 结构优化 毕业论文 II毕业论文 IIIButterfly valve flow characteristics analysis and structure optimizationAbstract：Butterfly valve is widely used for generator, natural gas, coal gas, city gas, liquefied petroleum gas, cold hot air, city gas, power generation, environmental protec
4、tion, such as smelting and chemical system engineering, as well as the delivery of all kinds of corrosive fluid or no corrosive fluid pipeline system, its role is to regulate directly or blocking the flow of the medium. Butterfly valves in the valve is a relatively simple structure regulator. Disc o
5、f the butterfly plate is the key to the butterfly valve core, as it goes around its own axis adjustment in the valve body of certain Angle, so as to achieve the aim of opening and closing or adjusted, the main cutting and throttling effect in the pipeline. For a long time, generally USES in a butter
6、fly valve design manual or experience design method, design work has some limitations in accuracy, reliability, etc. The use of butterfly valve structure design calculation method of the traditional design, in order to make the butterfly valve structure strength, stiffness and meet the requirements,
7、 tend to increase the safety coefficient were used, it is likely to cause butterfly valve is bulky, unreasonable structure and so on. Abroad, the design research of butterfly valve is more, not only adopts modern design methods to improve the structure of butterfly valve, also of the noise produced
8、by butterfly valve are analyzed. In order to realize the lightweight butterfly valve, improve the performance of butterfly valve, domestic scholars have also used the finite element analysis technology to the design research of butterfly valve, and achieved some results.This graduation design accord
9、ing to different types of (butterfly valve, flow characteristics analysis, structural design and 3 d modeling of butterfly valve, and then the butterfly valve of the model by using the solidworks software ANSYS and simulation and flow field analysis of butterfly valve, butterfly valve structure on t
10、he basis of the optimization.Key words: butterfly valve,analysis of flow field structure, Solidworks, Ansys毕业论文 IV目 录第 1 章 绪论 -11.1 研究的背景及意义 -11.2 蝶阀发展状况 -11.3 主要设计内容及设计方法 -2第 2 章 蝶阀的简介 -42.1 蝶阀的分类 -42.2 蝶阀的密封原理 -42.3 蝶阀的特点及性能指标 -42.4 蝶阀适用场合 -52.5 蝶阀的选用原则 -6第 3 章 蝶阀主要零件的设计 -73.1 阀体最小壁厚的计算 -73.2 蝶板中心
11、厚度的计算 -73.3 蝶板强度的验算 -83.4 蝶阀阀杆力矩的计算 -103.4.1 密封面间摩擦力矩的计算 -103.4.2 阀杆与填料的摩擦力矩的计算 -103.4.3 静水力矩的计算 -113.4.4 动水力矩的计算 -113.4.5 蝶阀启、闭总力矩 -123.5 阀杆强度验算 -12第 4 章 蝶阀三维建模 -134.1 SOLIDWORKS 软件简介 -134.2 蝶阀主要零件的三维建模 -134.3 蝶阀装配图的生成 -16第 5 章 蝶阀流场分析 -185.1 SOLIDWORKS 和 FLOW SIMULATION 简介 -18毕业论文 V5.2 ANSYS 和 WORK
12、BENCH 简介 -195.3 SOLIDWORKS 中蝶阀流场分析 -205.3.1 模型的准备 -205.3.2 环境参数的设置 -215.3.3 蝶阀开启 30状态时流场分析 -225.3.4 蝶阀开启 45状态时流场分析 -255.3.5 蝶阀开启 60状态时流场分析 -265.3.6 蝶阀开启 90状态时流场分析 -275.4 ANSYS 中流场分析 -285.4.1 开度为 30状态时流场分析 -285.4.2 不同开度的蝶阀流场分析结果 -315.4.3 流场分析结果 -345.4.4 结果分析 -36结论 -37致谢 -38参考文献 -39毕业论文 1第 1 章 绪 论1.1
13、研究的背景及意义蝶阀的名称来源于翼状结构的蝶板，在阀体的圆柱形通道内，蝶板绕着其自身轴线旋转 90，即可启、闭阀门。蝶阀作为流体输送系统中的控制部件，具有导流、截流、调节、节流、防止倒流、分流或溢流泄压等功能，在很多的行业和领域有大量的需求:如在石油、天然气、煤炭、冶金、和矿石的开采、提炼加工和管道输送系统中；在水电、火电和核电的电力生产系统中；在城建的给排水、供热和供气系统中；在冶金生产系统中;在船舶、车辆、飞机航天以及各种运动机械的使用流体系统中；在国防生产以及新技术领域里；在农业排灌系统中都有大量的需求。蝶阀行业在国民经济发展中，作为装备制造业的一个重要环节，起到非常重要的作用。蝶阀在机
14、械产品中占有相当大的比重，据国外工业发达国家统计，蝶阀的产值是压缩机、风机和泵三者的总和，约占整个机械工业产值的 5%。同时，作为重大技术装备的重要组成部分，尤其是在电力、石化、冶金、城市供排水系统的发展，对于国家工业的发展进步具有非常重要的意义。长期以来，在蝶阀设计中一般采用查手册或经验设计方法，设计工作在精度、可靠性等方面有一定的局限性。在运用传统的设计计算方法设计蝶阀结构时，为了使蝶阀结构的强度、刚度等满足要求，往往采用加大安全系数的办法，这样很可能造成蝶阀比较笨重、结构不合理等问题。在国外，对蝶阀的设计研究比较多，不但采用现代设计手段对蝶阀的结构进行改进，还对蝶阀产生的噪声进行了分析。
15、为了实现蝶阀的轻量化，提高蝶阀的性能，国内学者也已经将有限元分析技术运用于蝶阀的设计研究，并取得了一定的成果。1.2 蝶阀发展状况蝶阀不仅结构简单、体积小、重量轻、材料耗用低，安装尺寸小，而且驱动力矩小，操作简单、迅速，并且还可以同时具有良好的流量调节功能和关闭密封特性，是近十几年发展最快的阀门品种之一。特别是在美、日、德、法、意等工业发达国家，蝶阀使用非常广泛，其使用的品种和数量仍在继续扩大，并且向高温、高压、大口径、高密封性、长寿命、优良的调节特性以及多功能性方向发展，其可靠性及其他性能指标均达到较高水平，并且已部分取代截止阀、闸阀和球阀。随着蝶阀技术的进步，在可预见的短时间内，特别是在大
16、中毕业论文 2型口径、中低压力的使用领域，蝶阀会成为主导的阀门形式。原始的蝶阀是一种非常简单的，且关闭不严的挡板阀，通常在水管路系统中作为流量调节阀和阻尼阀使用。随着防化学腐蚀的合成橡胶在蝶阀上的应用，蝶阀的性能得以提高。由于合成橡胶具有耐腐蚀、抗冲蚀、尺寸稳定、回弹性好、易于成形、成本低廉等特点，并可根据不同的使用要求选择不同性能的合成橡胶，以满足蝶阀的使用工况条件，因而被广泛用于制造蝶阀的衬里和弹性阀座。由于聚四氟乙烯（PTFE ）具有耐腐蚀性强、性能稳定、不易老化、摩擦系数低、易于成形、尺寸稳定，并且还可以通过填充、添加适当材料以改善其综合性能，得到强度更好、摩擦系数更低的蝶阀密封材料，
17、克服了合成橡胶的部分局限性，因而以聚四氟乙烯为代表的高分子聚合材料及填充物改性材料在蝶阀上得到了广泛的应用，从而使蝶阀的性能得到更进一步的提高，出现了温度、压力范围更广，密封性能、使用寿命更长的蝶阀。为满足高低温度、强冲蚀、长寿命等工业应用的使用要求，近十几年来，金属密封蝶阀得到了很大的发展。随着耐高温、耐低温、耐强腐蚀、高强度合金材料在蝶阀中的应用，使金属密封蝶阀在高低温度、强冲蚀、长寿命等工业领域得到了广泛的应用，出现了大口径、高压力、宽温度范围的蝶阀，从而使蝶阀的技术达到一个全新的水平。由于计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）以及柔性制造系统（FMS ）在阀门行业的应用，全
18、面革新了阀门的设计计算方式，使蝶阀的设计与制造达到了一个全新的水平。特别是在金属密封蝶阀领域，由于CAD/CAM 的应用，出现 CAD 设计，并由 CAM 数控加工制造的三维密封副，使阀门在启闭过程中密封面无任何挤压、擦伤、磨损，从而使蝶阀的密封性和使用寿命成数量级提高。1.3 主要设计内容及设计方法在蝶阀设计中，存在蝶阀水力矩的计算、密封副的分析和计算等设计难点。针对这些难点开展了蝶阀设计工作，主要包括以下内容：1、蝶板的设计：包括蝶板的形状曲面设计、迎水面设计等；2、准确确定动水压力的变化情况：包括在动水情况下的压力升值、水力矩和蝶阀应力、变化情况。因为动水力模型一个多变量的非线性系统，受
19、管道参数、蝶阀参数的影响，动水力的变化是时变的，所以大都采用专业的软件确定毕业论文 3动水压力的变化情况。3、寿命长、可靠性的密封副 在一般开启频率下，蝶阀的寿命是可以接受的，但是在开关频次比较多的场合，蝶阀往往都会在很短的时间内失效。所以，寻求更好的设计以达到更高的开关阀次数和频率仍是目前蝶阀设计的一个瓶颈。4、蝶阀操作力矩的精度计算 蝶阀操作力矩计算是基于计算经验公式计算的，与实测的误差在 20% 30%左:右，因此，需要通过数学推导方法或快速有限元方法建立更加准确的蝶阀力矩计算模型。在当前蝶阀的设计中，主要是采用试验验证的方法或经验公式估选。试验验证的方法，由于周期较长，并且受到制造成本
20、的限制，在应用上受到很大的限制。而经验公式估算的精度是比较低的，无法得到精确的结果。有限元技术和计算机技术的发展，大量成熟的商业软件的出现，为解决这些问题提供了可能。毕业论文 4第 2 章 蝶阀的简介2.1 蝶阀的分类蝶阀分类如下：1、按结构形式分：中心密封蝶阀、单偏心密封蝶阀、双偏心密封蝶阀、三偏心密封蝶阀。2、按密封面材质分：（1）软密封蝶阀，其密封副由非金属软质材料对非金属软质材料构成及金属硬质材料对非金属软质材料构成两种；（2）金属硬密封蝶阀，其密封副由金属硬质材料对金属硬质材料构成。3、按密封形式分：（1）强制密封蝶阀；（2）充压密封蝶阀；（3）自动密封蝶阀。4、按工作压力分：（1）
21、真空蝶阀，工作压力低于标准大气压的蝶阀；（2）低压蝶阀，公称压力 的蝶阀；（3）中压蝶阀，公称压力1.6aPNM为 的蝶阀；（4）高压蝶阀，公称压力 为PN.56a: PN的蝶阀。108M5、按工作环境分：（1）高温蝶阀， 的蝶阀；（2）中温蝶阀，t 450的蝶阀；（ 3）常温蝶阀， 的蝶阀；（4）低温24t 1t-9 蝶阀， 的蝶阀；（5）超低温蝶阀， 的蝶阀。29t- 06、按连接方式分：对夹式蝶阀、法兰式蝶阀、支耳式蝶阀，焊接式蝶阀。2.2 蝶阀的密封原理DN50 蝶阀属于中线蝶阀，所以这里只介绍中线蝶阀的密封原理。其密封原理为:蝶板加工时保证其密封面具有合适的表面粗糙度值，合成橡胶阀座在模压成形时形成密封面合适的表面粗糙度值，阀门关闭时，通过阀板的转动，阀板的外圆密封面挤压合成橡胶阀座，使合成橡胶阀座产生弹性变形而形成弹性力作为密封比压保证阀门的密封。密封结构还可以采用聚四氟乙烯、合成橡胶构成复合阀座。其特点在于阀座的弹性仍然由合成橡胶提供并利用聚四氟乙烯的摩擦系数低、不易磨损、不易老化等特性，采用聚四氟乙烯作为阀座密封面材料，从而使蝶阀的寿命得以提高。若在密封结构中在加入酚醛树脂，使阀座在具有弹性的同时强度更好。2.3 蝶阀的特点及性能指标蝶阀是用圆盘式启闭件往复回转 90左右来开启、关闭和调节流体通道的
