四、 有限元数值分析方法及其应用
有限元是根据变分原理来求解数学问题的一种数值计算法，由于高速计算机的发展，这种方法获得了广泛的应用。
阀体强度的应力分析
阀体的强度按照常规设计是按照B16.34规则法选取最小壁厚。这种方法不能应用于无颈阀体的结构设计，亦不能分析复杂载荷条件下的阀体应力强度。对于在荒野恶劣地质条件和气象条件下运行的长输管线球阀是不适用的，只能用于初步设计。长输管线中的阀门可能存在由于地基沉降、山体滑坡、泥石流引起的外部弯曲力矩；亦可能存在由于安装或由于昼夜温差、冬夏温差而引起管道拉力和压力。在既有内压，又有外部载荷的复杂载荷状态，传统的按规则设计显得无能为力，只能通过数值分析方法来模拟。我们成功地按照ASME QME－1《核电厂能动机械设备鉴定》中有关端部加载的试验的规定，确定外部载荷的施加方式：即弯矩通过阀杆中心平面，拉力和压力施加于管道中心线。同时根据QME－1和ASMEⅣ 《核动力装置制造准则》：管道材料屈服时的外部弯曲载荷，外部拉伸载荷和外部压缩载荷作为有限元分析的试加载荷值。这个值作为复合载荷设计分析的依据：阀体强度有限元分析设计包括：
（1）阀体在1.2倍工作压力下阀体的应力强度。
（2）外部弯曲载荷和阀体内压共同作用下的阀体强度分析；
（3）外部拉伸载荷和阀体内压共同作用下的阀体强度分析；
（4）外部压缩载荷和阀体内压共同作用下的阀体强度分析；
在外载荷的分析计算和试验中，假设弯曲载荷、拉伸、压缩载荷的施加是各自独立，互不相关的。
固有应变法计算焊接变形
焊接变形是由焊接过程中工件局部不均匀、多次加热和冷却而产生的热应变，这种变形是客观存在的。问题的要害是准确地予以预测，以保证球阀装配时尺寸链的精度不被破坏，而导致阀门泄漏或阀门启闭失灵。通常计算焊接变形采用热—力耦合计算。即先计算温度场，再耦合到应力、应变的计算。为保证足够精度，计算的步长小，单元多，普通计算机上是不可能完成。交通大学汪建华教授提出的“固有应变法”来计算焊接变形，其理论是基于焊接变形是由于焊缝及其附近热影响区热膨胀受到周围温度较低的金属的约束产生压缩变形，冷却后焊缝及其热影响区存在这种残余应变，应变的大小最终决定工件变形的大小。这样就可以通过一次弹性有限元分析求得及整个构件的焊接变形。大大减轻了计算机的计算量。计算结果证明这种方法能准确的预测焊接变形达到机加工的精度。
阀体焊接温度场的分析与测试
由于全焊接阀体球阀在离开焊缝一定距离上置有橡胶密封圈，为防止橡胶密封圈因受热而损坏，对焊缝的温度给予控制，因此，需要通过有限元分析对焊接温度进行预测，并对试验结果进行拟合，以此来合理选择和规范焊接工艺参数，控制线能量的输入。
焊接残余应力的数值分析
焊接过程是一不均匀的温度场，产生的内应力可以达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的状态后，又会产生新的内应力，这种内应力残存在构件中，称为残余应力，这一应力可能超过强度极限，使焊缝根部和表面产生裂缝。预测和控制残余应力可以通过有限元数值模拟，籍此求得低残余应力的焊接工艺，改善阀体主焊缝的应力状态。
阀门的抗震计算
带有接长杆的电动或气液联动管线球阀存在在地震条件下压力边界破坏的危险，有限元数值分析方法，可以模拟在地震环境下，分析阀体，接长杆，执行机构及其连接螺栓的强度，并对结构完整性作出安全评估。
焊接端尺寸优化
过渡段焊接端与管道焊接，存在高强度X80级管材与低强度阀门焊接端材料的匹配。除了材料冶炼，化学成分和机械性能的匹配之外，尚存在焊接端结构尺寸的优化，英国B5351与美国B16.25标准给出过渡区的最大包络线，其焊接端斜坡为14-30°，这就提供给设计者优化的区域。经有限元分析显示大倾角（30°）存在大的变形不协调，小倾角设计可降低由于变形不协调引起的应力集中，一个NPS40， Class 600级的焊接端小倾角焊接端其应力集中比大倾角应力集中程度降低15%。改善了焊接端的应力状态。