航天用大开孔高压阀壳设计与开发

卢鹏旭

Lu Pengxu

北京化工大学 过程装备与控制工程

1.设计目的

阀壳作为一种反应压力容器，常应用于有燃烧反应的场所，其工作时内部经常承受高压，处于复杂应力状态下。同时，由于工艺的需要，设备在结构上往往设置较大的开孔，且开孔处会接入接管，从而导致开孔处设备的应力分布和大小发生改变。本课题首先对航天用大开孔高压阀壳进行常规设计，然后在此基础上基于有限元法探究厚壁接管补强和整锻件补强方式下大开孔的应力变化规律，并基于分析结果对两种补强方式进行优化设计。

2.基本原理及方法

（1）本课题在常规设计过程中主要采用的国家标准有GB/T 150.1—2011《压力容器第 1部分：通用要求》、HG/ T 20580~20585—2020《钢制化工容器设计基础规范等六项汇编》。为保证高压阀壳的密封性能，采用双锥密封结构，其在压力和温度波动下密封性能保持良好，且加工精度要求不太高，生产周期短，有良好的经济性。

（2）常规设计中开孔补强的方式有三种：等面积法、分析法与压力面积法。各标准中对其适用范围作了详细的规定。本次设计的阀壳，由于工艺参数的需要，超出了等面积法和分析法的适用范围，因此采用压力面积法进行开孔的补强计算与校核，通过加厚筒体壁厚和接管壁厚的方式，满足了补强的需要。

（3）本课题采用ANSYS Workbench参数化建模方法进行双大开孔结构的有限元数值分析，通过应力分析获得大开孔处的详细应力分布情况。此外，通过设置总质量和最大应力为目标函数，对厚壁接管补强和整锻件补强结构的关键参数进行了响应面优化设计（RSO）。

3.主要设计过程或试验过程

1）航天用高压阀壳结构设计及强度校核

根据设备的工艺条件参数，综合考虑温度、压力和使用环境等因素的影响，对内压作用下径向双大开孔高压阀壳进行了结构设计和强度校核，基于压力面积法对大开孔进行了补强计算，并采用厚壁管补强方式，加大了筒体和接管根部的厚度，以满足补强的要求。使用这种补强方式，结构简单，便于制造，且抗疲劳性能好。

2）航天用高压阀壳密封及换热结构设计

采用双锥密封结构对此高压阀壳进行密封，所有的尺寸均按标准设计。同时为满足换热需求，在阀壳的外侧布置了冷却水夹套，对水夹套的开孔也进行了压力面积法的补强计算，所有补强结果均满足要求。各零件的制造检验均按照标准要求进行。

3）不同补强方法下大开孔应力分布规律研究

采用有限元分析软件ANSYS Workbench参数化建模方法，建立了内压双大开孔模型，对内外圆角、开孔率、接管间夹角与间距等参数进行了分析，明确了大开孔结构下厚壁接管补强和整锻件补强方法对开孔处应力分布的影响规律。在此基础上对大开孔补强结构的关键参数进行了响应面优化设计（RSO），分别获得了两种补强方法的最佳尺寸参数。

4.结论

（1）对高压阀壳进行了常规设计，为满足大开孔的补强需求，将上筒体的壁厚增加到 80mm，下筒体的壁厚增加到 50 mm。补强方法采用厚壁接管补强，因此将DN800 接管增厚至 40mm，长度为 330 mm；DN700 接管增厚至 30 mm，长度为 360 mm；DN600 接管增厚至 30 mm，长度为 220 mm。筒体端部及双锥密封结构按照GB/T 150.1—2011 中的相关要求进行计算和校核，筒体端部螺栓螺母连接选用大直径双头螺栓和液压上紧螺母，可以满足密封的要求；法兰按照石化法兰标准选取。

（2）使用ANSYS Workbench软件，对径向双大开孔模型进行了相关参数的分析，发现接管根部的应力值会随着内外圆角的增大而减小；同时研究了 3 个无量纲参数，即 d/D ， t/T 和 D/ T 的影响，大量数值模拟结果表明，应力的最大值随 d/D 的增大而增大，随 t/T 的增大而减小，随 D/ T 的增大而减小。3 个无量纲参数的变化规律与工程经验一致，表明建立的有限元模型具有高可靠性和准确性。

（3）采用ANSYS Workbench中的响应面优化模块，对此径向双大开孔模型的两种补强结构进行了优化设计，分别得出其优化尺寸，并对优化后的结构进行了应力评定，结果满足JB4732—1995（2005 年确认）中的强度要求。优化后的厚壁接管补强方式相较于优化前，应力值最大值降低了 1.48%，质量下降了 5%。优化后的整锻件补强方法较优化前，应力最大值降低了 18%，质量却上升了 3%。说明整锻件补强方法虽然能显著降低应力的最大值，改善接管根部的应力状况，但是会增大该处的质量，在设计一些对质量有需求的容器时要格外注意。

5.创新点

（1）完成了航天用高压阀壳的常规设计，并采用双锥密封满足设备的高压密封性能要求；绘制了该设备的全套施工图纸，并建立了三维实体模型。

（2）建立了内压双大开孔参数化的有限元模型，系统分析了内外圆角、开孔率、接管间夹角与间距等参数的影响，明确了大开孔接管结构中厚壁接管补强和整锻件补强方法对开孔处应力分布的影响规律，并通过优化设计获得了两种补强方法的最佳尺寸参数。

6.设计图或作品实物图

高压阀壳三维实体模型如图 1 所示，高压阀壳装配示意图如图 2 所示，双大开孔结构应力分析结果如图 3 所示，两种补强方法下内外圆角与应力最大值关系曲线如图 4 所示。

高校指导教师：罗翔鹏；企业指导教师：王传志 InhDlwG07JRAJ4Mg+4fV2vkO08cbZMxnYyW6u0C3hcQDY5p/FPWRGOfLZYEiVmho