案例分享 | 现代阀门行业如何借助多物理场应对工业4.0（下篇）

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侵蚀主要是由于硬颗粒（例如，沙子）损坏阀门内部、机构和周围管道而发生的，也可能由于空化气泡的破裂而发生，并且在某些管道中，在适当的条件下，由于流动/管道界面处的化学反应，还可能会导致腐蚀。随着侵蚀，还会改变管道和阀门的形状，从而改变阀门的性能和流动特性，导致阀门在完全关闭时密封性变差。侵蚀性损坏需要停工进行维修，成本高昂。

MSC Nastran、MSC Apex 或 Marc 等结构分析工具可以使用 Cradle CFD 和 Adams 多体动力学仿真，联合仿真多物理场流固耦合效应，用户可以轻松确定柔性变形效应。由于管道内部的疲劳和振动，这种现象会导致阀门灾难性的故障。

图6:Cradle CFD 中阀门弯曲系统中的沙粒侵蚀

图7:Cradle CFD中蛇形管的核态沸腾预测

（左侧实验黑色，右侧 CFD 蓝色）

过热蒸汽经常在许多化学加工设施中用作传热形式，例如，在热交换器和反应容器中。然而，它需要流量控制管理来处理特殊的热力学特性，如核态沸腾、冷却、相变以及其他与蒸汽相关的组合热和传质现象。在 Cradle CFD 中可以模拟核态沸腾（图 7）。

在某些高压、高速气流中，系统中的流体可以在阀体内部和外部变成跨音速甚至超音速。这些系统往往具有复杂的几何形状，并且具有通过非常狭窄的通道产生的高压降的特点。事实上，冲击波可以在这些网络中形成并传播压力波。在处理通过阀门的跨音速和超音速气流时，CFD 仿真可能是极其困难的并且不准确。

工业 4.0 和“数字孪生”的出现——物理对象或系统在其生命周期中的虚拟表示，使用实时数据来实现理解、学习和推理——将包括许多弥合物理世界和数字世界之间差距的技术。这些将包括工业物联网 (IIoT)、人工智能 (AI)、机器学习、增强现实、机器人、数据分析和 3D 打印 (6)。

所有这些技术及其在制造业中的应用都将迅速改变产品和流程的设计、制造和使用方式。这些将允许实时访问控制室中的数据，以确保符合安全要求。

CFD和CAE 具有强大的能力，可以在您的桌面或云中实时执行“假设……”的场景，以满足阀门竞争性的设计标准：

• 优化压降

• 减少噪音

• 减少结构振动

• 降低热应力

• 最小化侵蚀

• 可视化阀门和系统内部的流动

• 探索完整的设计方案

• 了解阀门-管道系统的联合仿真多物理场特性

工业阀门制造商都需要具有高精度公差的优质制造产品，尤其是在阀门密封件和机械部件方面，以确保可靠性，尤其是在核能和石油和天然气等行业 (7)。 

图8:EdgeCAM加工模拟

无论是闸阀、截止阀、止回阀还是球阀，从设计到生产，优质钢阀门都需要高精度制造，具有多种型号和尺寸，而 Hexagon 的接触式测量机 (CMM)（见图 9）已经尝试并证明可确保制造的阀门满足客户的公差 (8)。

图9:Leitz LSP-X1h 固定式坐标测量机扫描仪

上的 MÜLLER Quadax® 蝶阀

最后，无损工业 CT 扫描允许在正常操作和安装过程中对阀门进行调查。这种方法远远超出了使用传统破坏性或其他非破坏性检查方法所能完成的范围。阀门的各个部分或安装阀门的系统可以在现场测量，而无需拆卸阀门。Hexagon 的 VGSTUDIO MAX 允许阀门制造商直接在体素数据集上执行 2D 和 3D 工业 CT 测量任务，以深入了解阀体内的空腔和间隙。

当今的全球阀门行业目前正在经历范式转变 (3)，因为制造商需要应对各个行业领域的数字化转型，这些行业正在拥抱工业 4.0 和人工智能和机器学习等智能技术。工厂和制造设施的数字化转型以及应对日益严格的环境立法要求的需求正在推动这种转变。在阀门行业中，以多物理场为中心的 CFD 仿真有很多好处：

•  在现场安装阀门之前评估阀门的“假设”场景

•  在概念阶段以成本有效的方式创建一次性设计成功

•  通过仿真模拟机械故障来最大限度地减少停机时间和维护

•  了解阀门内部复杂的多物理场相互作用

•  通过提高阀门的性能来延长阀门的整个使用寿命，以及防止有毒或有害流体的环境泄漏以及由此产生的污染预防。

Hexagon | MSC Software独特且无与伦比的 CAE 解决方案及其可一次性购买并根据需要在 MSCOne 系统内使用各种多物理场仿真工具，使阀门制造商能够在现代阀门的设计过程中处理所有物理类型——流体、结构、系统动力学和声学一体化 . 这意味着可以快速、准确地按照高质量和标准设计任务关键型阀门，然后满怀信心地制造和部署。

研发工程师和阀门设计师的快速设计决策可以包括 Cradle CFD 独特的重叠网格划分功能，允许准确的关闭/接触运动，尤其是阀门关闭预测。还可准确捕获可变形和移动的阀门运动，例如簧片阀、隔膜阀和提升阀以及特殊的石油和天然气、生物医学和航空航天阀门。所有流态和流体都可以使用 CFD 进行模拟，包括高压/高速气流，并且可以准确地模拟声学和空化预测。最后，可以使用现代 DEM 模拟阀门内部的破坏性侵蚀和颗粒堆积效应模型。

海克斯康智能制造领先的光学和 CT 扫描技术以及 EdgeCAM 等市场领先的计算机辅助制造（软件）可以与 CAE 模拟预测相结合，为您的阀门提供“数字孪生”。这种虚拟和真实数据创建的独特组合可以使阀门制造商加快制造速度，确保高精度设计，并提高现场安装的最终产品的质量和生产力。

参考文献：

6 “The Emergence of Artificial Intelligence in CAE Simulation”, K. Bouchiba, K. Kayvantash and

K. Hanna, MSC Software White Paper, 2020 

https://www.mscsoftware.com/artificial-intelligence-manufacturing-report

7 “EdgeCAM for Valve Production”, 2021 

https://www.hexagonmi.com/en-gb/solutions/case-studies/other-cool-stuff/full-steam-ahead-with-edgecam

8 “Meeting the Tightest Sealing Requirements is top priority”, MÜLLER CO-AX AG Customer Story, Leitz LSPX1h and PC-DMIS: https://www.hexagonmi.com/en-GB/solutions/case-studies/general-manufacturing/meetingthe-tightest-sealing-requirements-is-top-priority