Rule based design solution for knife gate valve body modeling
Mustonen, Pyry (2025)
Diplomityö
2025
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251114107880
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251114107880
Tiivistelmä
In this thesis, a rule based design solution is proposed for automated 3D modeling of Flowrox™ SKH knife gate valve bodies in ASTM A216 gr. WCB cast steel. Automated design is explored to study the possibilities it provides for reducing the resources required for the redesign project of these bodies.
The foundation of this approach is applying the calculations from the standard for steel valve body shell strength, EN 12516-2. Dimensioning the bodies based on these calculations guarantees that the minimum requirements for the shell strength are met. Dimensions for other features, not directly related to shell strength under pressure, were determined based on existing literature.
The automated design tool was created using Microsoft Excel and SolidWorks. The automated model generation was a success, however areas for improvement were also found.
Comparing to the existing cast iron bodies, the new steel bodies were 22.6% lighter on average. The created bodies were analyzed using the finite element method. For small valve bodies, the shell strength was adequate when calculated based on the standard's calculation methods. For larger sizes, the sides of the body were not strong enough, and further study is required to produce a correction factor for the wall thickness in this location.
In conclusion, the automated design process shows potential for resource savings and harmonization of the products in the future. Tässä työssä esitetään sääntöpohjaista suunnittelua hyödyntävä suunnitteluautomaatiotyökalu Flowrox™ SKH -levyluistiventtiilien runkojen suunnitteluun ASTM A216 gr. WCB -valuteräksestä. Suunnitteluautomaation tarjoamia etuja tarkastellaan suunnitteluprojektien resurssivaatimusten vähentämiseksi.
Tämän ratkaisun keskiössä on venttiilin kuorilujuuden laskennan määrittelevä standardi EN 12516-2. Tämän standardin laskentaa hyväksikäyttäen voidaan luoda säännöt, joilla optimoida rungon materiaalinkäyttö, mutta kuitenkin varmistaa tuotteen säädöstenmukaisuus. Niille rungon kohdille, jotka eivät ole suoraan yhteydessä kuoren paineenkestoon, määritellään mitoitus olemassaolevaa kirjallisuutta soveltaen. Suunnitteluautomaatiotyökalu toteutettiin käyttäen Excel-taulukkolaskentaa sekä SolidWorks 3D-mallinnusohjelmistoa. Työkalu onnistui tuottamaan venttiilirunkojen mallit annettujen vaatimusten perusteella automaattisesti. Työkalun toiminnasta löydettiin myös kehityskohtia.
Verrattuna olemassaoleviin valurautarunkoihin, uudet teräsrungot olivat keskimäärin 22.6% kevyempiä. Luotujen runkojen lujuus analysoitiin elementtimenetelmää käyttäen. Pienten venttiilien runkojen lujuus osoittautui riittäväksi, mitoitettuna EN 12516-2:en perusteella. Suurempien venttiileiden runkojen sivut eivät kestäneet vaadittuja kuormituksia. Sääntöpohjaiseen suunnitteluautomaatioon perustuva työkalu osoittautu lupaavaksi keinoksi vähentää suunnittelussa vaadittavia resursseja sekä parantaa tuotteiden yhdenmukaisuutta tulevaisuudessa.
The foundation of this approach is applying the calculations from the standard for steel valve body shell strength, EN 12516-2. Dimensioning the bodies based on these calculations guarantees that the minimum requirements for the shell strength are met. Dimensions for other features, not directly related to shell strength under pressure, were determined based on existing literature.
The automated design tool was created using Microsoft Excel and SolidWorks. The automated model generation was a success, however areas for improvement were also found.
Comparing to the existing cast iron bodies, the new steel bodies were 22.6% lighter on average. The created bodies were analyzed using the finite element method. For small valve bodies, the shell strength was adequate when calculated based on the standard's calculation methods. For larger sizes, the sides of the body were not strong enough, and further study is required to produce a correction factor for the wall thickness in this location.
In conclusion, the automated design process shows potential for resource savings and harmonization of the products in the future.
Tämän ratkaisun keskiössä on venttiilin kuorilujuuden laskennan määrittelevä standardi EN 12516-2. Tämän standardin laskentaa hyväksikäyttäen voidaan luoda säännöt, joilla optimoida rungon materiaalinkäyttö, mutta kuitenkin varmistaa tuotteen säädöstenmukaisuus. Niille rungon kohdille, jotka eivät ole suoraan yhteydessä kuoren paineenkestoon, määritellään mitoitus olemassaolevaa kirjallisuutta soveltaen. Suunnitteluautomaatiotyökalu toteutettiin käyttäen Excel-taulukkolaskentaa sekä SolidWorks 3D-mallinnusohjelmistoa. Työkalu onnistui tuottamaan venttiilirunkojen mallit annettujen vaatimusten perusteella automaattisesti. Työkalun toiminnasta löydettiin myös kehityskohtia.
Verrattuna olemassaoleviin valurautarunkoihin, uudet teräsrungot olivat keskimäärin 22.6% kevyempiä. Luotujen runkojen lujuus analysoitiin elementtimenetelmää käyttäen. Pienten venttiilien runkojen lujuus osoittautui riittäväksi, mitoitettuna EN 12516-2:en perusteella. Suurempien venttiileiden runkojen sivut eivät kestäneet vaadittuja kuormituksia. Sääntöpohjaiseen suunnitteluautomaatioon perustuva työkalu osoittautu lupaavaksi keinoksi vähentää suunnittelussa vaadittavia resursseja sekä parantaa tuotteiden yhdenmukaisuutta tulevaisuudessa.