刘松 陈国荣 杜晓霞 罗建伟 李晓亮 任虹

(重庆科技学院电气与信息工程学院 重庆401331)

摘要：针对消防栓阀杆在高水压工作环境下变形大、强度不足、应力分布集中等问题，提出一种高压消防栓的阀杆改进结构。建立消防栓阀杆改进结构的三维实体模型，运用ANSYS对阀杆进行静态强度特征分析，同时对消防水进入及流出消防栓的过程进行流体动力学( CFD)分析，以验证改进型阀杆的科学性和可靠性;分析了改进型阀杆的应力、变形云图以及阀杆的压力分布图，结果表明改进后阀杆的变形程度及阀杆受到的应力情况与改进前相比均有较明显的改善。

关键词：消防栓阀杆 插销 流体动力学计算 静力分析 云图

引言

火灾是现实生活中最常见(危害最大的自然灾难之一，直接威胁到人们生命和财产安全。发生火灾时，消防栓是常用的消防灭火设备。但消防栓在工作时经常出现这样的问题:当消防水压超过一定的水压值时，消防水对阀杆产生高压应力，阀杆与水接触的部位出现局部应力集中区域，阀杆可能会发生严重的变形，导致消防栓的损坏，影响救火工作的开展，最终造成巨大人员伤亡和财产损失。因此，改进消防栓阀杆的结构设计，提高消防栓在高水压下的安全性能，具有重大的意义。

建立消防栓的三维实体模型，利用ANSYS Workbench集成平台中的参数化设计功能和流体动力学数值模拟分析整体消防结构和阀杆的水压分布情况。在此基础上对阀杆结构进行优化设计，在满足材料的强度要求和最大允许变形的前提下，提出了一种结构优化设计方案%对改进后的消防栓结构进行机体强度分析，预测结构强度，根据实验结果验证有限元模型的准确性，结合实验仿真进一步验证阀杆结构的改进方案。

1 原消防栓阀杆结构有限元分析

1.1 建模分析

利用SolidWorks建立三维实体模型，将三维图导入ANSYS中进行材料属性设置、网格划分、边界条件设置以及载荷施加，传统消防栓结构如图1。

图1 消防栓有限元结构模型

在确保所需计算精度的同时，为了减少计算工作量，建模时需将一些对整体影响较小的局部结构例如螺孔、连接孔等予以忽略。

1.2 计算结果分析

1.2.1 应力分析

对阀杆施加0.5MPa的载荷，消防阀杆的等效应力分布云图如图2所示。

图2 等效应力云图

由图2可以看出，阀杆与水接触部位出现了应力集中区域，整个阀杆的应力范围是0.029281 Pa ~44.561MPa，而与载荷接触部位的应力大小是24~ 44 MPa左右。

1.2.2 变形分析

对图2进一步分析，阀杆的变形云图如图3所示由图3可以看出，最大变形出现在阀杆的底部位置，最大变形量为0. 0208mm。

图3变形云图

2 阀杆结构的改进设计

有限元静力强度计算结果表明阀杆底部与水接触部位存在明显的应力集中现象，并且变形程度较大。为改善这种情况，必须对阀杆和栓体进行结构改进设计。改进后消防栓设计剖面结构如图4所示。

图4 改进消防栓结构剖面

改进后消防栓的工作过程:插销的初始位置在1;旋转消防阀杆，阀杆向上运动，阀杆上的插销也跟着往上移动，当插销运动到2处时，卡在栓体突出的结构位置;消防水从管网入口3流进消防栓内部，对阀杆和插销产生压力作用，由于插销卡在2处，不能够持续往上运动，避免了阀杆被冲出栓体或受消防水的冲击力而损坏的情况发生。

3 改进阀杆设计的有限元分析

3.1 边界约束条件

为了便于比较改进前后的结构设计，采用相同的约束和载荷。将法兰盘下底面和栓体与阀杆连接处的上表面定义为固定约束，栓体与阀杆接触的周围部分也定义为固定约束。

3.2 阀杆有限元结果的对比分析

施加0.5~5MPa范围的载荷，原阀杆及改进后阀杆的等效应力和总变形曲线如图5所示。

图5 不同载荷条件下阀杆的应力和变形

由图5可以看出，同等载荷条件作用下，改进前阀杆受到的应力和总变形量与改进后相比要大很多;在材料承受的应力范围内，改进后的阀杆能够承受更大的载荷。

4 CFD仿真计算工况

4.1 假设条件

在消防栓工作一段时间之后，假设流体是不可压缩的均质流体，密度为常数，进口处水压的大小不随时间发生变化.

4.2 控制方程和数值方法

采用三维、稳态、可压的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、标准k-ε双方程湍流模型描述水介质流体在整体消防栓和阀杆上的压力分布问题。

4.3 流体动力力学(CFD)分析

设定进口压力范围为0.5~2 MPa，出口压力为0. 3~1.5 MPa。

4.3.1 原阀杆CFD分析

试验条件:入口压力2 MPa，出口压力1 .2 MPa，工作温度20℃。由原阀杆CFD分析(见图6可以看出，阀杆中上部位置的压力分布较均匀，压力差别不大，说明阀杆结构设计是基本合理的，但阀杆下部明显有一段受力过大的区域，说明原阀杆的结构设计存在一定的问题。

图6 原结构CFD分析

4.3.2 改进阀杆结构的CFD分析

对原阀杆结构进行改进后阀杆结构的CFD分析结果如图7所示。

图7改进后CFD分析

由图7可以看出，阀杆底部位置受到的压力明显减小并且整个阀杆上的压力分布基本均匀，证明了改进后的阀杆结构的有效性。

4.4 仿真结果对比分析

提取全部CFD仿真结果数据，绘制对比曲线见图8。由图8可以看出，改进后结构的计算结果与改进前相比，阀杆受到的最大应力有所降低。

图8 改进前后阀杆的CFD分析曲线

5 结论

经有限元分析原消防栓阀杆底部与水接触部位存在应力集中，且变形程度较大%提出一种阀件改进结构，并进行有限元静力学和流体动力学分析，由仿真结果图可以看出:

(1)有限元静力学分析结果表明:施加同等载荷的情况下，改进后的结构与原结构相比，阀杆受到的应力和总变形量明显降低，并且应力集中的现象也有了明显的改善。

( 2)对消防水进入及流出消防栓的过程进行流体动力学计算分析，计算结果表明:在消防栓工作过程中，改进后阀杆表面的压力分布基本均匀。