運用CAE技術對空調用截止閥的各項性能進行模擬，獲得結構應力狀態。從分析結果可知：截止閥在各性能試驗工況中最大應力都不高，不存在強度不足的風險；而在裝配過程中螺母擰緊時，截止閥的應力水平較高，可能存在強度不足的風險；增大過渡區域的圓角半徑可以改善結構的變形，降低最大應力值。

　　隨著計算機技術的飛速發展，計算機輔助設計技術已經成為現代設計方法的主要手段和工具。CAD/CAE技術在機械行業已得到廣泛應用，其中CAE技術目前已成為企業實現創新設計的重要保障。

　　在閥門制造業中，由于其產品結構相對較簡單，產品開發周期短，導致市場競爭異常激烈。為提高競爭力、縮短產品開發周期，越來越多的企業已經認識到CAE技術的優勢，即利用CAE技術可以在設計前期發現并修改設計缺陷，減小實樣制作和試驗的重復次數，從而縮短開發周期，提高市場競爭力。筆者以某空調截止閥為例，運用CAE技術模擬截止閥各性能試驗狀態和安裝受力狀態，以獲得截止閥結構的應力水平，確認結構是否存在強度不足的風險。

1、截止閥的性能要求

　　JB/T10648—2006《空調與冷凍設備用制冷劑截止閥》要求，截止閥主要性能要求有耐壓強度、破壞強度、密封性、耐久性、耐高溫、耐低溫、耐冷熱循環、耐振動、耐沖擊等。這些性能要求都需要通過相關試驗驗證。而這些性能試驗大部分可以運用CAE進行模擬，進而預測截止閥的性能狀態。

2、有限元模擬

　　2.1、模型

　　圖1所示為截止閥的CAD模型，包括蓋帽螺母、閥座、閥芯、接管和接管螺母等。圖2所示為截止閥的有限元模型。閥座以0.5mm 的基本尺寸進行四面體網格劃分。截止閥總成模型的體單元數量為149606個，節點數為172609個。

　　2.2、材料

　　由于本次分析主要關注閥座的變形狀態，而且閥座相對于閥芯、螺母結構是較弱的，所以閥座材料考慮材料非線性，其他材料只考慮線性。

　　閥座材料屬于塑性材料，其應力-應變曲線數據可以通過拉伸試驗獲得。考慮到保密性問題，未將材料的應力-應變數據在本文中列出。

　　2.3、分析工況

　　參照JB/T10648—2006，除密封性和應力腐蝕等幾項不能模擬外，其余都可以運用CAE進行模擬。所以可以按照性能要求確定分析工況和載荷，另外須考慮截止閥在裝配過程中的變形情況。

　　由于篇幅限制，筆者只選取幾個典型的工況說明CAE的應用情況。選取破壞強度試驗、耐高溫性能試驗和安裝時螺母擰緊狀態等工況。

　　2.4、破壞強度模擬

　　1)性能要求：在5倍最大工作壓力下，閥的各部位應無破損。

　　2)試驗條件為閥座固定，加載5倍的最大工作壓力。對于DG4最大工作壓力為3MPa，破壞強度試驗時載荷為15MPa液壓。

　　3)有限元模型：在2個安裝孔中約束x，y 和z 向平動自由度，然后在閥座和接管內表面施加15MPa的壓強。

　　閥芯與閥座間運用TIE接觸方式模擬螺紋連接，蓋帽、螺母與閥座間通過共節點方式模擬螺紋連接，在接管與閥座間的焊縫連接通過剛性單元BEAM 簡化模擬。如圖3所示。

圖3　約束和加載示意圖

　　4)分析結果

　　圖4　應力(MPa)分布云圖經求解計算后，應力分布結果如圖4所示。從圖中可以看出，最大應力出現在閥座內表面處，且高應力區域只出現在尖角上很小的區域內，最大應力值為106.2MPa，其余應力都較小，最大應力小于材料屈服極限192MPa，即閥座仍處于彈性變形階段，結構中的塑性應變為0MPa，所以閥座不會出現永久變形，截止閥在這種工況下，強度滿足設計要求。

　　2.5、耐高溫性能模擬

　　1)性能要求：在規定的條件下，經120℃高溫試驗后，閥的密封性應符合密封性要求。

圖4　應力(MPa)分布云圖

　　2)試驗狀態：閥處于全開狀態，按規定力矩擰緊螺母，充入混合介質后，將各口封閉，放入120℃±2℃恒溫箱96h，取出冷卻到室溫，檢查其密封性。

　　3)約束和載荷：由于內部混合介質材料的熱脹冷縮性能參數不易獲得，且由于閥座內部的液體壓力較小，液體熱脹冷縮對閥座影響較小，分析時忽略閥座內部液體的作用，只考慮實體結構的熱脹冷縮變形。

　　有限元模型如圖5所示，模型中不考慮密封圈，將螺栓安裝孔處完全約束，施加整體的溫度場載荷。

3、結束語

　　通過運用CAE技術模擬截止閥結構一些性能要求的工況以及安裝過程中可能出現的受力狀態，可以方便地獲得結構的應力分布和變形狀態，從而可以知道哪些狀態下結構受力狀態較為惡劣、結構薄弱區域及其改進和優化方向。對于截止閥一些性能要求的試驗工況，結構應力水平都不高。而在安裝過程中，結構容易出現較大的應力，存在結構強度不足的風險。