毕业设计cf8m不锈钢结构改进球阀structural optimization for ball valve made of cf8m stainless steel原.docx

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毕业设计cf8m不锈钢结构改进球阀structuraloptimizationforballvalvemadeofcf8mstainlesssteel原

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

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整流管

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时的最大应力之间。

因此,目标函数和约束函数可以定义如下。

设球的最小质量为m；压力损失系数为K1；

最大应力为σmax

Subjet

σmax≤205Mpa；

K1≤1.0；

xlower≤xi≤xupper（i=1,L,6）

（1）

有确定的目标函数和约束函数,下一步是确定设计变量。

虽然每个维度的球或多或少影响流体性能、结构性能和球质量,对于一个给定直径的管,有些维度如球直径和安装阀杆孔不能修改,只有某些方面像圆角半径和厚度可以改变。

图7显示了要优化的球的六个设计变量。

他们的密封墙厚度为T；圆角半径、半径分别为R1、R2、R3和R4；角度为θ。

对于这电脑的实验,每个设计变量有三个水平。

表1中2级描述初始维度和其他两个层次代表假定值,预计将达到一个改进和不扭曲网状铁和CFD元素。

在随后的优化过程,就是（21×37）采用正交阵列,因为它是一个系统和统计方法的计算机实验，广泛应用于设计实验[6]。

然后,代理模型通过使用响应构造面分析,权衡方法是用来作为最后的优化算法,因为它们很便宜,适合目标工程优化。

表1设计变量及其水平的设计

变量R1/mmR2/mmR3/mmR4/mmT/mmθ/（°）

1级370.53224.5-361

2级353.53123.5-259

3级330.22022.5-157

4.实现结果

图4CFD和FE模型

如上所述,响应面法是用来构建代理模型。

有了代理模型的最大•冯•米塞斯应力、压力损失系数和球质量,平衡方法是用来得到一个平衡这三个目标之间的最优结果。

在本研究中,通过三个优化步骤找到最适宜的开发结果。

归一化目标函数确定的归一化在这三个优化步骤图8所示,Y*是在每个步骤的最优值，Yε是所需的客观值。

为了满足约束,每个归一化目标函数必须超过1.0。

因此,最终的最佳结果是在第一步中的结果,和最优的结果相应的变量是:

R1=34.4毫米，R2=4.15毫米，R3=31.03毫米，R4=24.08毫米，T=1.95毫米和θ=57.5°。

优化设计变量确定后,符合实验,也叫做进行再分析,来验证预测值的准确性。

预测的最优结果和再分析结果比较如表2。

预测球的质量和压力损失系数非常接近真实值因为它们所确定的函数具有高度非线性,预测的最大应力有较大的误差，这意味着设计变量有对最大应力有更大的影响。

同时，最大误差1.7%意味着球的整个优化过程和优化结果是可用的和可靠的。

图5球上冯•米塞斯应力分布

图6压力等高线在中间面50°时开放程度

图7球的设计变量:

（一）侧景;（b）前视图;（c）俯视图

图8归一化目标函数不同的优化步骤

表2优化结果和再分析结果间的比较

质量/公斤压力步/MPa压力损失系数

最初的结果2.34158.00.813

最佳结果1.95187.00.907

再分析1.93185.00.907

错误/%0.67-1.7−0.030

5.结论

1）ASTMA296CF8M非常适合球阀,因为铬和钼的添加提升了整体耐腐蚀和提供了更大的力量在室温和高温。

2）通过使用正交数组执行优化，响应面法和平衡法,球阀的质量从2.34减少到1.95公斤（16.67%,从最初的设计）,而最大应力和压力损失系数仍保存在可用范围。

3）优化设计呈现的工作情况并没有考虑温度的影响。

因为这种类型球阀可能在高温下工作，在未来优化热分析工作中这是很必要的。

声明

这项工作是由韩国高性能阀门从区域创新中心（RIC）项目的知识经济部（MKE）的技术中心支持。

参考文献

[1]KERHT,李JJ,WELLFORDLc.瞬态流固耦合在一个控制阀[J]。

流体工程杂志》,1997年,119

（2）:

354−359。

[2]MERATIP,MACELTMJ,埃里克森Rb.流量调查围绕一个v部门球阀[J]。

流体工程杂志》,2001年,123:

662−671。

[3]戴维斯J,斯图尔特·m·预测全球控制阀性能部分二:

实验验证[J]。

期刊的液体

工程、2002、124:

778−783。

[4]陈省身MJ,王CC,MACh.性能测试和流动可视化的球阀[J]。

实验热、流体

科学,2007,31（6）:

505−512。

[5]SONGXG,王L,PARKYc.分析和优化的蝶阀阀瓣[J]。

诉讼制度的机械

工程师、部分E:

机械工程杂志》,2009年,过程jpme236DOI:

10.1243/09544089。

[6],也是一个年代,斯隆NJ,STUFKENJ.正交数组:

理论与应用[m]。

纽约:

斯普林格出版社,1999,<~njas/doc/oahtml。

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StructuraloptimizationforballvalvemadeofCF8Mstainlesssteel

Xue-GuanSONG,Seung-GyuKIM,Seok-HeumBAEK,Young-ChulPARK

DepartmentofMechanicalEngineering,Dong-AUniversity,Busan604-714,Korea

Received2March2009;accepted30May2009

Abstract:

ThemechanicalandchemicalpropertiesofCF8Mwerestudiedthroughexperiments.AnapplicationofCF8Minvalvebodywasanalyzedbyusingfiniteelementmethod（FEM）toevaluatethestructuralsafety.Anoptimizationcontainingseveralvariablesbasedontheresponsesurfacemethod（RSM）wasconductedtofindtheoptimumdimensionofthevalve.Theresultsshowthatusingthisprocesscansavevalvemassaswellasthecomputationalexpenseeffectively.

Keywords:

ballvalve/CF8Mstainlesssteel/trade-offmethod/responsesurfacemethod/optimization

1Introduction

Ballvalvehasbeenusedwidelyinvariousindustries.Itisopenedbyturningahandleattachedtoaballinsidethevalve.Theballhasaholeorportthroughthemiddle,sothatwhentheportisinlinewithbothendsofthevalve,theflowwilloccur.Whenthevalveisclosed,theholeisperpendiculartotheendsofthevalve,andtheflowisblocked.Theballvalvesaredurableandusuallyworktoachieveperfectshut-offevenafteryearsofdisuse.Inthepast,itwasdifficulttoinvestigatedetailsoftheflowinsideaballvalve,becauseitwasnottransparent.Thisdifficultyalsoblockedthecomprehensionandimprovementofballvalves.Alongwiththedevelopmentofcomputertechnique,thevisualizationsofflowpatternandfluid-structureinteractionanalysisbecomeeasierandeasier.Manyresearcheshavestudiedtheflowinsideaballvalve.KERHetal[1]utilizedthefiniteelementmethodtosimulatetransientinteractionoffluidandstructureinacontrolvalve.MERATIetal[2]adoptedacommercialpackage,FLUENTTM,toinvestigatetheflowaroundaV-sectorballvalve.DAVISandSTEWART[3]adoptedFLUENTTMtostudytheflowsinglobalcontrolvalves.

CHERNetal[4]investigatedtheperformancetestandflowvisualizationofballvalveusingaparticletrackingflowvisualizationmethod.Inrecentresearchesbothfluidcharacteristicsandstructuresafetyareconsideredsimultaneously.SONGetal[5]performedastructuraldesignofabutterflyvalvebyusingtopologyoptimizationandsizeoptimization.Themainpurposeofthisstudyistooptimizethe

fluidcoefficient,themassandstructuresafetyofaballvalveatthesametime.First,thematerialexperimentwascarriedouttoresearchthepropertiesofASTMA296CF8M,ofwhichtheballinsidevalvewasmade.Then,CFDandFEManalysesofthistypeofballvalvewereperformed,respectively,tocalculatethepressurelosscoefficientandthemaximumstressonthevalvedisc.Atlast,thecomputerexperimentsandoptimizationmethodwereconductedtoobtaintheoptimumresult.

Fig.1Segmentalballvalve

Fig.2MicrostructureofASTMA296CF8Mstainlesssteel

2Geometryandmaterialproperties

Theballvalvestudiedinthisworkhasasegmentalstructure,asshowninFig.1.Withtrunnionmounting,theballissupportedbytheupperstemandlowerstemattheoppositeposition.TheballismadeofCF8M,whichisamodificationoftheCF8typeofwhichmolybdenumisaddedtoenhancethegeneralcorrosionresistanceandtoprovidegreaterstrengthatelevatedtemperature.

Fig.2showsthemicrostructureofCF8Mausteniticstainlesssteel.Themicrostructureispredominantlyaustenitic,with5%−8%ferritetypically.Theferriteincreasesthestrengthduringandimmediatelyaftersolidification,whichgreatlyreducesthepossibilityofhot-teardefectsoccurring.Undertheheattreatmentcondition,thealloyhasapredominantlyausteniticstructurewithsmallamountsofferrite（15%−25%）distributedthroughoutthematrixintheformofdiscontinuouspools.Whenthealloyisheatedintherangeof427−871℃（suchasinaweldingoperation）,thepoolsprovideapreferredlocationforcarbidestoprecipitate,thustendingtoreducesusceptibilityofthealloytointergranularcorrosioncausedbyprecipitationofcarbidesataustenitegrainboundaries.Theamountofferritepresentdecreasesascarboncontentofthealloyisincreased.Bysuitablebalancingofthecompositions,thealloycanbewhollyausteniticandnon-magnetic.Atoperatingtemperatureof649℃orhigher,ferritemaytransformtothebrittlesigmaphase.Themaximumcorrosionresistance,however,isassociatedwithlowcarbonandhighchromiumcontents,andforthisreason,thepartiallyferriticCF8Mtypeisusuallyemployedatoperatingtemperaturesbelow538℃.MaterialpropertiesofCF8Mwereobtainedfromexperimentaltestofsamples.Thestress—straincurveisshowninFig.3.AndthecorrespondingmaterialpropertyofCF8Mcanbeobtainedasfollows.Theyieldstrengthσy,elasticmodulusandPoisson’sratioofCF8Mare308MPa,193GPaand0.27,respectively.

Fig.3Stress—straincurveofCF8Mstainlesssteel

Fig.4CFDandFEmodels

Fig.5Distributionofvon-Misesstressonball

Fig.6Pressurecontouronmiddleplaneat50°openingdegree

3Optimizationofball

3.1Assumptions,loadingconditions,andnumericalanalysis

Eachballvalvemanufacturerhasitsownloadingconditionsandcorrespondingcriteria.Theloadingconditionsareconsideredforthemostseriousserviceloadsinpractice.Theloadingsarecomposedoftwoconditions.Oneisrelatedtothestaticpressurewhenthevalveisclosed,andtheotherisdefinedunderflowingconditionswithanapproximatevelocityof3m/s.Theoptimumclosedandopenconditions,whichmaybetheworstloadingconditionamongtheserviceloadings,aretakenintoaccountduringoptimizationprocess.TheFEmodelmeshedwithtetrahedralelementswithfirstloadingconditionandCFDmodelwithadditionalupwardpipeanddownwardpipeareshowninFig.4.Aftersevenanaly