COSMOSWORKS是完全整合在SOLIDWORKS中的設計分析系統(tǒng)，它提供壓力、頻率、約束、熱量和優(yōu)化分析等，為設計人員在SOLIDWORKS的環(huán)境下，提供了比較完整的分析手段。本文以固定球閥的閥座為重點研究對象，因為在閥座的工程設計過程中，閥座密封面上總作用力及密封比壓的計算在實際設計中使用的是經(jīng)驗或修正公式，利用現(xiàn)有手段，這兩種參數(shù)不易準確測出。通過應用COSMOSWORKS有限元分析軟件計算模擬工況下固定球閥的密封比壓，并與理論的計算公式進行對比，為閥門的設計提供了相對準確的參考。

　　實體建模

　　以DN239mm，PN25MPa的固定球閥設計為例。在SOLIDWORKS中首先對固定球閥的各個零部件進行實體建模，并對各零部件進行組裝。對裝配體進行干涉檢查，得到各零件之間無干涉的裝配體。

　　有限元分析

　　1、密封機理

　　固定球閥采用進口密封，此時球閥壓差(P-P1)>0(P、P1為閥前和中腔的流體壓力)。當壓差大到一定程度，即在密封副表面造成一定的壓緊比壓時，此比壓將引起閥座彈塑性變形，填塞密封面上的微觀不平度以阻止流體從密封副間通過。當壓差較小或閥座采用金屬材料制作時，依靠壓差不能達到完全密封，此時必須另加一個密封外力，以加大壓緊比壓。根據(jù)工作壓力計算密封所需的必需比壓qb的經(jīng)驗公式為qb=1.2PN=30MPa。為保證球閥密封可靠，在球體和閥座的接觸表面上應有足夠的比壓，但不得超過密封副材料的許用比壓[q]。

　　2、有限元計算

　　由于密封比壓的計算過程僅與球體、閥座和閥座支承圈等零部件有關，所以對其有限元分析模型做了簡化，這樣不僅節(jié)約了計算機資源，而且提高了計算結果的準確性。通過模擬現(xiàn)實工況，需計算得出閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力值Qs。

　　根據(jù)現(xiàn)實工況，在COSMOSWORKS中建立一個靜力學分析算例，并確定約束載荷條件(①固定球體與上閥桿和底蓋相接觸面。②限定閥座和閥座支撐圈只能在軸向上運動。③將Qs施加在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上，進行網(wǎng)格化。④確定球體和閥座支撐圈的材料為35號鋼，閥座的材料為奧氏體不銹鋼，密封面間無滑動(奧氏體不銹鋼的許用比壓[q]值為150MPa)，點擊運行，計算結果如圖3c所示。

　　3、提取結果

　　在閥座密封面上等距獲取25個點，然后沿X方向依次探測這25個點的壓力值，再將探測數(shù)據(jù)導入Excel中進行分析，得到密封比壓在閥座密封面上呈拋物線分布，其*值處于閥座的內(nèi)徑處，為62.1MPa，最小值處于閥座中部，其值為40.16MPa。結合閥門密封設計參數(shù)必須比壓qb(30MPa)和閥座材料的許用比壓[q](150MPa)。密封比壓的值處于qb和[q]之間，滿足了設計準則。

　　由于在密封過程中，閥座與球體密封面相對固定，不能運動，故在受到預緊力和流體壓力后，密封環(huán)的內(nèi)徑軸向相對于中部變形裕量小，受到的擠壓力較大。密封環(huán)的徑向相對于中部變形裕量大，受到的擠壓力也相對較小。另外，雖然球體與閥座接觸，但由于毛細現(xiàn)象而有流體介質存在，當球體沿流向有相對運動時，球體與閥座更加緊密接觸，從密封面邊緣到中部的流體介質越來越少，所以密封面邊緣處在介質與球體的雙重作用下，受力略大于密封面中部。因此，在密封面上密封比壓呈拋物線分布。在邊緣環(huán)面，由于受預緊力、介質施加力和金屬球體綜合作用，故產(chǎn)生有波動的變化曲線，尤其在密封面外徑處影響更大。由于毛細現(xiàn)象的影響，取密封面中部的密封比壓作為整個固定球閥的密封比壓是合理的。根據(jù)圖5取得密封面中部的壓力值為40.16MPa，而理論計算的密封比壓值為40.17MPa。兩者之間的差值為0.01MPa，誤差<3%。可見用有限元計算得出的固定球閥的密封比壓的值是可信的。而且可以完全反映出密封比壓在整個閥座上的分布情況，從而對整個閥門的設計提供了可靠的設計依據(jù)。