申请/专利权人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所

申请日：2021-05-31

公开（公告）日：2021-10-12

公开（公告）号：CN113255140B

主分类号：G06F30/20(20200101)

分类号：G06F30/20(20200101);G06F30/23(20200101);G06F30/17(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.10.12#授权;2021.08.31#实质审查的生效;2021.08.13#公开

摘要：本发明公开了一种快速球阀的阀杆设计方法，其特征在于，基于阀杆在动应力载荷下的发生过程建立对应的理论模型，以得到对应的动载荷安全评估值作为有限元强度结构应力分析设计评估软件的理论参数值。本发明提供一种快速球阀的阀杆设计方法，解决目前通用的材料力学计算公式只针对阀杆材料及结构的静载荷应力强度进行了设计评估，不适用于快速球阀高频动载荷工况下的安全评估的问题，通过提供一种简洁、可靠、高效的理论计算设计方法，来减轻设计者的前期设计周期、降低制造成本，同时不影响快速球阀的整体使用性能。

主权项：1.一种快速球阀的阀杆设计方法，其特征在于，基于阀杆在动应力载荷下的发生过程建立对应的理论模型，以得到对应的动载荷安全评估值作为有限元强度结构应力分析设计评估软件的理论参数值；所述理论模型被配置为包括：快速球阀在末位角速度所形成的冲击应力理论模型，以及阀杆的变形承受能力理论公式，且所述阀杆的变形承受能力理论公式是基于材料固有能量法对阀杆传动链冲击动载荷工况下的阀杆变形承受能力进行推导以得到；所述冲击应力理论模型是基于动力加速度理论进行推导，进而得出快速球阀从启动至90度运动结束关闭时，所形成的末位角速度理论模型；且所述末位角速度理论模型的建立被配置为包括：S1、直线运动与回转运动的模型关联；S2、基于模型关联得到快速球阀球体关闭末位角速度的计算公式；所述模型关联被配置为包括：在初始动速度为0的直线运动中，具有公式一：S=ѵt；在初始角速度为0的回转运动中，具有公式二： ；其中，为角行程，t为时间，ω为角行程末速度，ѵ为直行程匀加速度，S为直行程末速度；所述快速球阀球体关闭末位角速度计算公式的推导方式被配置为包`括：在初始角速度为0的匀加速度状态下，通过对等加速运动，已得知球阀角行程末速度的行程为，得到快速球阀球体关闭角行程末速度对应的公式三： ；所述阀杆的变形承受能力理论公式推导步骤被配置为包括：S3、通过直线运动末端动能推导出旋转运动末位动能I；S4、在球体末位动能作用下，推导阀杆发生的最大动载剪应力；在S3中，所述球体转动的末角速度为末，则球体终了时的末位动能I具有公式四： ；其中，I2为球体对阀杆的转动惯量；在直线运动方程中，有公式五： ；其中，m为质量，V为直行程速度，E为动能；在S4中，阀杆受球体的冲击下发生变形，令阀杆的动角位移为；如果球体对阀杆的冲击扭矩为；则阀杆像一只弹簧，其弹性变形能具有公式六： ；而球体的动能应等于阀杆扭转的弹性变形能，即，其中，为球体极惯性矩，得出对应的公式七：；而阀杆的扭转弹性模量是阀杆的结构参数，冲击扭矩与动角位移之比，应等于静力扭矩与静角位移之比，即=扭转弹性模量，代入即有；令K为冲击载荷，K是动角位移与静角位移之比，则，为球体转动惯量，为动角位移，为静力扭矩；因球体转动，其中，为角加速度，代入即有，用来表示动应力引起阀杆变形与静应力引起阀杆变形之间的关系；基于扭转的基本公式即公式八：，其中，G为剪切弹性模量，其公式为，为极惯性矩，为阀杆长度，A为阀杆材料弹性模量，为阀杆材料泊松比；则 ；其中，J为阀杆极惯性矩，C为阀杆刚度，为角位移阀杆动力扭矩；可得出阀杆上的最大动载剪应力为： ；其中，W为阀杆抗扭转截面系数。

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