文献综述

1 研究背景及意义

随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率^[1]。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。

近年来，随着能源结构的调整,LNG能源的使用量急剧增加，在天然气的液化及液化天然气的运输、贮存等方面对低温阀门的需求量也急剧增加。LNG球阀因具有操作简单、易实现快速启闭等优点被广泛应用于LNG管路中^[2]。但是,传统的LNG球阀在开启和关闭后均存在盲区，由于存在环境热源,盲区内的LNG会逐渐汽化，温度逐渐升高，压力逐渐增大,如不及时导出盲区内的LNG ,盲区压力将会高于阀门的设计压力，部分密封将被破坏，导致LNG泄漏甚至引起阀门爆炸。为了解决这一问题，有限元法就可以满足这一球阀设计的情况。运用三维设计软件建立了球阀壳体的三维实体模型,利用有限元分析软件建立了球阀壳体结的有限元分析模型并进行强度分析,得出球阀壳体的最大应力和应力分布规律,为球阀结构的安全合理设计和进一步优化奠定了良好的理论基础^[3]。

有限元法是在近几年代发展起来的强有力的数值分析方法，它通过计算机实体建模对阀体结构进行静态或动态特性分析，找出其结构设计的关键部分，从而进行优化设计。它使复杂的工程分析问题迎刃而解，而且由于分析软件和计算机硬件处理技术的高速发展，计算效率高，实际应用越来越广泛。

阀体是球阀的主要承载结构，具有几何形状复杂、作用载荷复杂、支撑结构和约束复杂的特点。阀体结构的设计是否合理，将直接影响球阀的使用性能。因此，在对球阀进行动态分析时，其主要的分析部件就是阀体。球阀按结构形式可分为浮动球球网、固定球球网和弹性球球阀^[4]。

球阀阀体的结构分析和计算主要有两种方法:经典力学方法和有限元计算方法。经典力学方法需要对受力系统作大量简化和假设，且计算繁杂、精度差，影响球阀结构的合理化和可靠性^[5]。有限元法是在近几年代发展起来的强有力的数值分析方法，它通过计算机实体建模对阀体结构进行静态或动态特性分析，找出其结构设计的关键部分，从而进行优化设计。它使复杂的工程分析问题迎刃而解，而且由于分析软件和计算机硬件处理技术的高速发展，计算效率高，实际应用越来越广泛。

我国控制阀行业要发展就一定要实施技术创新，调整产品结构，要大力研制开发一些技术含量高、劳动附加值高、具有国际领先水平的控制阀产品，以适应现代工业对控制阀的需求。有限元分析方法在国内已开始普遍应用于球阀阀体的结构分析，研究方向也由单纯静力分析向参数化建模、结构优化和动态特性等扩展，而且将有限元分析计算与试验研究相结合，呈现多样化的局面^[6]。可以看出，目前，国内己经把有限元法作为控制阀的静态分析和动态分析的重要手段，球阀各部分结构的有限元分析模型更趋复杂、完善，计算结果精度愈来愈好，成为球阀结构分析和设计的主流工具。

2 国内外利用有限元法在LNG球阀的应用现状