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基于FEM的罐车底阀的结构优化设计

摘要：随着国内外经济与流体应用的发展，用于运输的罐车在安全性及可持续性有着很大的进步。相应地应用于罐车的底阀在安全性上起着关键的作用。底阀是止回阀的一种，是一种单向阀。本文通过相关文献，对国内外罐车底阀的应用发展做了初步了解，以为随后底阀的研究奠定了基础。通过国内外罐车底阀的研究现状并就国内外对阀门结构设计的方案进行阐述，对罐车底阀的结构优化设计展开研究。

关键词 底阀 流场 有限元分析 结构优化

1.1前言

随着国民经济和现代制造业的发展，阀门的应用越来越广泛，已经成为人类活动中各个领域不可缺少的通用性机械产品。其按用途分类可分为截断阀类、止回阀类、分流阀类、调节阀类、安全阀类以及一些特殊用途类阀门。其中底阀又叫紧急截断阀、罐底阀，是止回阀的一种，广泛应用于罐车系统中，罐车是一种车体为罐状的运输车辆，在各种气体、液体及粉末状货物的运输中起着重要的作用，特别是在各种危化品的运输中，罐车构造安全性能起着重要的作用。在这个输送过程中，其中的管路系统需要阀门来保证系统的安全运行，所以，阀门是流体运输中不可缺少的重要部分。^[1-3]底阀用于罐车内介质的流通与紧急截断，对流体特别是危化品的运输安全有很大的意义。但由于其内部复杂的结构以及其在不同工况下的服役行为有所不同，转向于对其内部流场和受力的分析，并通过有限元方法对底阀结构进行分析，有效地将有限元方法引入到罐车底阀的结构设计中，提出结构优化方案。

1.2国内外研究概况

1.2.1国内外阀门发展现状

阀门在国内工业和城市基础设施中应用广泛，开始于二十世纪五十年代，在工业发展过程中，阀门的生产规模不断扩大，在生产中，由于不断引进国外先进的技术，使我国阀门产品不断丰富。在短短的数年里，阀门产品从600多个种类迅速扩展到3000 多个型号，主要分为十二大类。就我国阀门行业的发展而言，历经几十年的风雨洗礼，其发展水平有质的飞跃。当前，阀门行业产品性能的参数范围从真空阀门提升至 600MPa 超高压阀门的水平上，使用介质主要有水、蒸汽等。^[4]但是我国阀门的竞争性大，相应地核心技术水平还有待发展。目前， 国内已有多个企业获得了国家核安全局颁发的民用核承压设备设计和生产资格许可证，可以设计、生产核安全级阀门。已成功研制生产了闸阀、止回阀、截止阀、弹簧式安全阀、球阀、节流阀等一系列核级阀门^[5]。阀门在国内一直属于高需求产品，随着罐车行业的改造升级，相应的底阀也应该有相应地升级。但是，目前我国对于铸钢件、锻件的生产能力较小。国内大多以万能机床为主，产品精度不高、效率低。对于锻焊结构类产品，真空电子束焊接工艺和剪切挤压技术都未得到普遍的推广应用。^[6]这不仅阻碍了国内阀门产业的发展，更让国内阀门设计水平进度缓慢，高端阀门生产技术难以得到突破性进展。