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在石油、化工、食品、飲料等行業(yè)，經(jīng)常使用的蝶閥一般都是中線式的，其密封比壓是靠蝶板和密封圈間的過盈擠壓造成的，在頻繁開啟狀態(tài)下密封圈非常容易損壞。三偏心蝶閥是在雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封結(jié)構(gòu)，從而消除了蝶閥啟閉時(shí)兩密封面之間的機(jī)械磨損和擦傷，減少驅(qū)動力矩。密封面位于斜圓錐表面，閥座和密封圈的正截面均為橢圓，這正是其設(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)及關(guān)鍵，也是目前不能準(zhǔn)確計(jì)算摩擦力矩的原因所在。三偏心金屬蝶閥屬于強(qiáng)制密封蝶閥范疇，采用接觸式機(jī)械密封，其蝶板關(guān)閉時(shí)在力矩的作用下靠一定的過盈量在閥座密封面間形成密封比壓，實(shí)現(xiàn)密封。如圖所示，其主要結(jié)構(gòu)特征是它的3個偏心量：碟板的回轉(zhuǎn)中心相對于密封面中截面的軸向偏心a；碟板的回轉(zhuǎn)中心相對于閥體中心線的徑向偏心b；圓錐形密封面的中心線與閥體中心線形成的角度為β的角偏置。經(jīng)過第3次偏心后，蝶板的密封斷面不再是圓，而是橢圓。密封過程中蝶板與閥座錐形密封副間的接觸界面的區(qū)域大小和相互位置以及接觸狀態(tài)都事先未知，并呈現(xiàn)出復(fù)雜的接觸非線性的特點(diǎn)。
ANSYS是當(dāng)前使用最廣泛的大型通用有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的求解器，可對結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場進(jìn)行計(jì)算。但是ANSYS的建模能力相對薄弱，并對分析模型要求苛刻。為解決該問題，ANSYS為目前主流的CAD軟件提供了預(yù)留接口，SolidWorks軟件也在其中。
本文以三偏心蝶閥為研究對象，考慮部件之間的接觸作用，建立起閥體、碟板、密封圈、軸（驅(qū)動軸，從動軸）和軸承的三維模型，使用有限元分析軟件ANSYS分析三偏心蝶閥設(shè)計(jì)時(shí)的密封比壓和關(guān)閉扭矩，并顯示密封圈的等值應(yīng)力圖和受力后的變形狀況。
由于本分析主要研究密封圈和碟板，在三維建模時(shí)忽略對分析結(jié)果影響較小的部件和部件上的小特征，這樣不僅可以節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，而且能提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。以工稱直徑為DN400、PN112bar的三偏心蝶閥為例，利用三維建模軟件SolidWorks強(qiáng)大的實(shí)體建模功能進(jìn)行實(shí)體建模，并對各零件進(jìn)行組裝，生成裝配體。
利用Workbench軟件的模型導(dǎo)入功能可以將三偏心蝶閥的裝配體輸入到建模環(huán)境DesignModuler，輸入后的裝配體，系統(tǒng)可以自動識別零件之間的接觸關(guān)系，并自動設(shè)置面與面之間的接觸特性。
網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格形式的選取是決定網(wǎng)格質(zhì)量和結(jié)果精度的重要因素。如果網(wǎng)格單元太小，會造成網(wǎng)格過密，導(dǎo)致計(jì)算成本過高。本例中由于重點(diǎn)關(guān)注密封圈與碟板接觸面處的接觸應(yīng)力，所以只需要細(xì)化密封圈與碟板接觸面之間的網(wǎng)格，而其他位置的網(wǎng)格不用過于細(xì)化。本模型采用四面體和六面體劃分，一共650000個單元，1064812個結(jié)點(diǎn)。
基于DesignModuler的三維模型，定義結(jié)構(gòu)上的載荷和邊界條件，而且在有限元計(jì)算中必須指定足夠多個保證結(jié)構(gòu)在外載荷作用下不發(fā)生剛體位移的邊界條件。由于新設(shè)計(jì)的閥門關(guān)閉扭矩未知，且在啟閉過程中有干涉問題，所以在關(guān)閉過程中采用施加旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，把閥體設(shè)置成剛體。在本例計(jì)算中閥門處于未完全關(guān)閉的初始狀態(tài)，且保證密封圈與碟板之間無接觸。按照閥門實(shí)際工作的受力狀態(tài)，對模型分別施加以下載荷和邊界條件：（1）施加位移約束：壓緊環(huán)位移0.638mm，以模擬真實(shí)裝配狀況，使壓緊環(huán)預(yù)壓密封圈；（2）施加壓強(qiáng)：在碟板背面施加法線方向11.2MPa壓強(qiáng)；（3）施加位移約束：在驅(qū)動軸末端施加4°角度位移，以模型真實(shí)工況下閥門的關(guān)閉狀態(tài)；（4）施加軸向固定約束：在從動軸末端施加軸向固定約束；（5）施加固定約束：固定閥體兩個法蘭端面。由于ANSYS模擬的是一個比較復(fù)雜的分析過程，為了簡化分析在施加載荷時(shí)分三步進(jìn)行：第一步施加壓緊環(huán)位移，第二步施加驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)角度，第三步施加壓強(qiáng)。
此分析可以全面研究三偏心蝶閥系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律和密封機(jī)理，由于主動體上的節(jié)點(diǎn)與被動體接觸時(shí)的自由度和變形的一致性，能得到密封圈的應(yīng)力場和位移場計(jì)算結(jié)果，尤其可以獲得碟板和密封圈之間接觸壓力和關(guān)閉扭矩等很重要的具體數(shù)據(jù)，這里僅給出部分的計(jì)算結(jié)果。
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