阀门导向杆撞击应力数值分析
摘要：基于AMESim软件对一种排气阀建立了动力学分析模型，求解了导向杆与主阀芯、主阀芯与阀座撞击时刻的最大撞击速度；基于Abaqus软件建立了发生碰撞部件的有限元模型，求解了该撞击速度对应的最大撞击应力。研究结果表明：采用的数值分析方法可为阀门导向结构的强度设计和试验预示提供指导。关键词：排气阀；导向杆；撞击速度；撞击应
引 言阀门是液体运载火箭动力系统的关键单机，具有截流、调节等作用。阀门中的导向结构能够实现定位、对中、运动等功能，在阀门性能中具有关键作用。导向结构的精度、灵活性和可靠性是阀门最重要的功能和性能指标之一。
箭上阀门导向结构的故障模式包括运动卡滞、强度失效、疲劳破坏等，这些故障模式都会造成阀门功能失效。本文对阀门导向杆在运动撞击过程中的撞击速度及撞击应力进行仿真分析，能够为提高产品的性能和可靠性提供指导。
1 排气阀本文主要研究液体运载火箭增压系统的排气阀，结构原理见图1。排气阀内腔可以分为2部分：控制腔和主阀腔，2个腔由密封圈隔离。贮箱需要排气时，排气阀通过C口通入控制气推动副阀芯向左运动，副阀芯和导向杆再推动主阀芯向左运动，从而打开阀门。
阀门打开后，贮箱内气体通过排气阀B口经主阀腔通过A口排出。若需要关闭排气阀，则通过C口排出控制腔内气体，主副阀芯和导向杆受弹簧力作用复位，排气阀关闭。
排气阀正常工作时控制气源压力为4.9 MPa（绝压），贮箱压力0.34 MPa（绝压）。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8luk5z7MF1IbKOOvFia7OknOsVib3LemYEwIPGHAhYuNGibWMlD8MYo4a3Q/640?wx_fmt=png图1 排气阀原理对排气阀工作过程进行分析，阀门开启过程中，副阀芯受到强制力作用向左快速运动，导向杆将对初始为静止的主阀芯金属骨架产生撞击。
阀门关闭过程中，导向杆向右运动，主阀芯、导向杆受到弹簧力作用向右快速运动，主阀芯端面上的密封圈将和阀座发生撞击。导向杆撞击接触部位结构见图2。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lSRhr86s4P3CO2NrdD6nBRoticWf7dJLkCto3QFiaQBeDTBCy93PxlDqg/640?wx_fmt=png图2 撞击结构2 导向杆撞击速度计算根据排气阀结构搭建AMESim模型，模型包括主弹簧、主阀芯、副弹簧、副阀芯、导向杆、主阀腔、控制腔以及控制气源等部分具体模型见图3。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lexh45wuN6B9hM0aD0eC9dyK58F6UyqzZ2QmYhibNvNqduBCNTvCZuLg/640?wx_fmt=png图3 排气阀动特性分析模型模型设置的结构参数根据产品实际情况进行确定，主要性能参数见表1。开展仿真前，明确使用工况见表2。
表1 模型主要性能参数表https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8llTibdgU8H4zlQbUQXgRNCcwicgX1Uob6x4Ukvia5wNJ49TWyxleCQTNmw/640?wx_fmt=png表2 模型工况表https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lj8UHe7Vv9Dee9ic2cVxSHt1KwKWULBO0sAoLNBicE6FGux0BArE9dKNA/640?wx_fmt=png通过在B口保持压力的情况下，C口加载控制气，模拟排气阀打开过程，计算导向杆与主阀芯撞击速度，见图4。
由图4可知，排气阀打开正常，在0.0007s时，导向杆与主阀芯发生碰撞，导向杆撞击主阀芯最大速度为3.52 m/s。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lSb8jIeAdias4VXBn0hYmAeqicnwvbNYK907KCZiaQv7mbEKsglRicImcWQ/640?wx_fmt=png图4 导向杆撞击主阀芯速度将C口控制气撤除，模拟排气阀关闭，计算主阀芯撞击阀座速度，计算结果见图5。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8l5RLxMP4AoxB214ib3U2ztmwJ5yZaAAntfje8OMibHUgaDiaPib0a1hRkYQ/640?wx_fmt=png图5 主阀芯撞击阀座速度由图5可知，排气阀关闭正常。导向杆与主阀芯脱离时主阀芯速度即为主阀芯撞击阀座最大速度，为1.37 m/s。
3 导向杆撞击应力计算基于Abaqus软件建立导向杆撞击有限元模型，应用Dynamic Explicit非线性模块分析撞击应力。
3.1 材料属性计算中采用的材料性能参数见表3。
表3 材料参数https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lzicQficq2ygTvyM23EDYS4JTGY5kLtXbTNQs4VQySv9ia8ribaxGmUaE8w/640?wx_fmt=png3.2 仿真模型构建对排气阀开启和关闭过程进行瞬态撞击受力情况分析，按照二维轴对称建模。导向杆撞击主阀芯最大速度为3.52 m/s，主阀芯撞击阀座最大速度为1.37 m/s。
导向杆撞击主阀芯二维模型见图6，导向杆撞击主阀芯网格见图7。导向杆撞击主阀芯边界条件见图8，导向杆撞击主阀芯载荷条件见图9。主阀芯撞击阀座二维模型见图10，主阀芯撞击阀座网格划分见图11。主阀芯撞击阀座边界条件见图12，主阀芯撞击阀座载荷条件见图13。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lfEzL3iaxm0quxWiazrkibq34Yib5fuoTKHEGjkjFNO5Sz4hYibpkK6kK6ww/640?wx_fmt=png图6 导向杆撞击主阀芯二维模型https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8l8ukEe9CL7u7FWHnQC9VAWOic6DChlfJJQpicwSOBsJiaJkYfAFes3Jia1A/640?wx_fmt=png图7 导向杆撞击主阀芯网格
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lztITrhHt7ticFyz9BhicxibRkQqE3DdjicMJZCCv8giaISPptVibjWvrg30g/640?wx_fmt=png图8 导向杆撞击主阀芯边界条件https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lhYewXVF6Vzzstr2EqAyiaOdNzHwsRF9TxeX4SricfHqhMzlYhPMjX9Kg/640?wx_fmt=png图9 导向杆撞击主阀芯载荷条件https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lfJjfLWGj9mCWmvtkWlRbQDXpc77OGLU11ndicyjXicEEmCtRB5Jtojbg/640?wx_fmt=png图10 主阀芯撞击阀座二维模型https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lWSicBg80e3r6zGR8TMo9KBnaqgXHZaoPn8EkvZHy0zje1RLqJm20efQ/640?wx_fmt=png图11 主阀芯撞击阀座网格划分https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lWO02xibqIsFIYmbhRZvvZMWU7EoJWghz0JnFGU2D2Hicsz2B6ScJbibgQ/640?wx_fmt=png图12 主阀芯撞击阀座边界条件https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8loHEY6BZpf21EpibHAH2k54jxPot3ibaaYyQVFQD3kuYUqT84bcDTYl3g/640?wx_fmt=png图13 主阀芯撞击阀座载荷条件3.3 计算结果导向杆与主阀芯撞击应力见图14。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lib7vnRHQSOGibN1YjTLjRzNvQmmKC0QuGwERQoQgh1eGfaiaVFau28iatQ/640?wx_fmt=png图14 导向杆撞击主阀芯应力分析结果由图14可知，最大应力为402.3 MPa，在导向杆的端部，低于F151材料的屈服强度。主阀芯最大Mises应力为229.3 MPa，位于端部撞击区域，低于材料的屈服强度。
主阀芯与阀座撞击应力见图15。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lHv5Uibqascibu1PTOiagPEMJw8laZ3iaWoKNgRcSaV8zib09N9QQGoib97Ag/640?wx_fmt=png图15 主阀芯撞击阀座应力分析结果由图15可知，最大应力为74.5 MPa，在阀座顶端，低于材料的屈服强度。密封圈最大应力为23.5 MPa，略低于材料的抗拉强度，但显著高于材料的屈服强度。
主阀芯撞击阀座应变计算结果见图16。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lPJUtkduccraIu50OETMJ8V6dDFDz4xicIydY9wSRqrMmib2bfjNibHbCg/640?wx_fmt=png图16 主阀芯撞击阀座应变分析结果由图16可知，密封圈的撞击部位进入屈服，产生压痕。
各撞击部位的最大撞击应力计算结果见表4。由表4可知，导向杆与主阀芯、主阀芯与阀座撞击时，撞击部位金属材料处最大撞击应力低于材料屈服强度，不会产生破坏。但密封圈显著进入屈服形成压痕，建议后续在阀门多次运动后注意观察密封圈状态，必要时进行相应处理。表4 计算结果https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCemdRKtlicd1hFZnrHgBfOw8lDia1a9FQls4CC3sicTlnMSjgJl3TiaRvhSiaWklHeKrzqTL78j6YAZ68Sg/640?wx_fmt=png
4 结 论本文基于AMESim和Abaqus软件对一种排气阀建立了动力学分析模型和有限元模型，求解了导向杆与主阀芯、主阀芯与阀座撞击时刻的最大撞击速度和撞 击应力。这种数值分析方法可定量分析阀门开启、关闭过程中排气阀导向杆发生撞击时撞击部位的最大撞击应力，对于阀门导向结构的强度设计、试验预示等具有一 定的指导意义。
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