球閥閥桿廠家在進行有限元計算求解之前，首先進行環境設定，即給出約束條件。圖5給出了球閥球體與閥桿力學模型，通過計算得閥座密封面與球體的摩擦轉矩為10kN·m扭矩，作用在閥桿兩鍵槽處的力為191kN，設定填料函處具有無摩擦固定支承，球體與閥座接觸面設定為瞬間固定支承。

  球閥閥桿廠家在球體與閥桿接觸部銑方槽，閥桿扁榫不更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應力圖（圖6）。在應力圖中，球體與閥桿接觸處最大應力值比較集中在球孔邊緣處很小的兩塊區域，這兩塊區域極易產生破損失效，此結構球體閥桿槽最大應力σy=227MPa，超出了材料最大許用應力值，故不合格。

  球閥閥桿廠家在球體與閥桿接觸部銑方槽，閥桿扁榫更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應力圖（圖7）。在應力圖中，球體與閥桿接觸處最大應力區域由兩側改為中間，其最大應力值得到了降低σy=193.355MPa，但最大應力值還是超過了材料的許用應力［σy］，故需通過進一步的改進設計優化結構。

  在球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫不更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應力圖（圖8）。在應力圖中，最大應力σy=215.589MPa，最大應力值超出材料許用應力［σy］，故不合格。

  在球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫更改。通過Ansys分析軟件的求解計算，得到球體與閥桿接觸部變形圖及應力圖（圖9）。在應力圖中，最大應力σy=181.446MPa，雖然該結構的計算模型求解后最大應力值小于材料的許用應力值，但其值接近材料許用應力［σy］，為此需要進一步的優化設計。

  球體與閥桿接觸部銑圓弧槽，閥桿扁榫做更改，同時為了更好地防止應力集中，面接觸處銳部倒圓角。通過分析軟件的求解計算，得到球體和閥桿接觸部變形圖及應力剖視圖（圖10）。在應力圖中，最大變形量0.018mm，最大應力σy=154.539MPa，最大應力值小于材料許用擠壓應力值［σy］，滿足設計要求。同時由于接觸部所受最大應力處遠離金屬密封球閥球體涂層易剝落區故此設計改進較為合理。

  后處理

通過分析5種方案（表2），其采用方案5的設計方法時，金屬密封球閥的閥桿與球體接觸處的擠壓應力小于材料許用擠壓應力值，球體與閥桿接觸部位設計合理，有效。

表2 5種不同方案的計算結果

  計算結果表明，球體圓口倒角和閥桿扁榫特殊的高平臺凸起設計，能在不增大球閥結構和不降低球體強度的基礎上，有效的降低局部的接觸應力。在閥門設計過程中，當傳統的設計方法不能滿足設計要求時，采用基于Ansys的分析與設計方法可以有效地優化產品設計，使其滿足性能要求，從而提高閥門設計的質量和效率。

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