介紹了采用經(jīng)驗(yàn)公式和有限元仿真分析的計(jì)算方法，并對(duì)某核一級(jí)閘閥進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)比分析了兩種方法得出的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了仿真分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1、概述

　　在核級(jí)閥門(mén)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要遵守ASME、RCCM等法規(guī)。ASME ⅢNB分卷提供了詳細(xì)的核級(jí)閥門(mén)的強(qiáng)度計(jì)算公式，如果按照全部公式(NB-3500) 進(jìn)行計(jì)算并且計(jì)算合格，其閥門(mén)的設(shè)計(jì)結(jié)果是可以被接受的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用有限元應(yīng)力分析的方法對(duì)閥門(mén)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算成為一種新的計(jì)算方法。本文以某核一級(jí)閘閥為例，分別使用兩種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2、仿真分析

　　將閘閥全部零件進(jìn)行立體建模，并確定每個(gè)零件的密度以得到閥門(mén)的精確質(zhì)量。在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，如果在閥體的一端施加固定約束，而端部應(yīng)力得不到有效釋放，將在閥體端面位置產(chǎn)生應(yīng)力奇異，最大應(yīng)力可達(dá)2000MPa，這顯然與現(xiàn)實(shí)情況相違背。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及規(guī)定，可以在閥體進(jìn)口處增加一過(guò)渡管(過(guò)渡管長(zhǎng)度為入口管徑的2～5倍)，在過(guò)渡管入口施加固定約束，使應(yīng)力奇異發(fā)生在管道入口。而評(píng)價(jià)分析結(jié)論時(shí)，只考核閥門(mén)的受力情況，忽略過(guò)渡管入口上出現(xiàn)的誤導(dǎo)結(jié)論。這樣可以真實(shí)模擬閥體的受力情況，得出相對(duì)準(zhǔn)確的應(yīng)力分析值。在ASME 法規(guī)中，著重關(guān)注閥門(mén)承壓邊界的受力情況。因此，只取閥體、閥蓋和過(guò)渡管組成的裝配體為研究對(duì)象( 圖1)。在閥體右側(cè)的中腔與支管交界位置，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)劃分出3條閥體的應(yīng)力評(píng)定線。同時(shí)將模型轉(zhuǎn)化到ANSYSWorkbench軟件中。

圖1 建立閥門(mén)應(yīng)力分析模型

　　在ANSYS軟件中，對(duì)閥體、閥蓋、過(guò)渡管賦予材料屬性，對(duì)支架、過(guò)渡頭和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等省略掉的零件以一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)代替，并選擇閥體與閥蓋相接觸的表面作為支撐質(zhì)量點(diǎn)位置的平面。分別選取過(guò)渡管與閥體、閥體與閥蓋相接觸的表面為零件間的接觸面，選擇約束類(lèi)型為bonded綁定約束。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證。設(shè)定熱應(yīng)力分析參數(shù)，選擇過(guò)渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)相接觸的表面設(shè)定設(shè)計(jì)溫度，選擇閥體的外表面確定對(duì)流換熱系數(shù)。

　　選擇過(guò)渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)相接處的內(nèi)腔表面設(shè)定介質(zhì)壓力，選擇過(guò)渡管左端面確定閥門(mén)的固定約束載荷，選擇被拋開(kāi)的過(guò)渡管、閥體和閥蓋的中截面添加閥門(mén)對(duì)稱約束。在結(jié)構(gòu)分析選項(xiàng)中輸入Z軸方向重力加速度9806.6mm/s2 ，在X、Y軸輸入OBE和SSE等效重力加速度的地震載荷，用于考慮B、D等工況下的地震載荷輸入。選擇閥體出口端面作為受力面，在X、Y、Z軸方向分別輸入技術(shù)規(guī)格書(shū)要求的管道反作用力和扭矩。計(jì)算得出應(yīng)力評(píng)定線上的薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力(表1)。

表1 設(shè)計(jì)工況計(jì)算結(jié)果

　　按照ASME法規(guī)的要求，需要按照技術(shù)規(guī)格書(shū)指定的設(shè)計(jì)、A、B、C 及D試驗(yàn)等工況分別進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。而使用ANSYS軟件進(jìn)行分析的過(guò)程是相同的，只是輸入的參數(shù)、考核的項(xiàng)目不同而已。因此，本文省略掉其余工況的計(jì)算過(guò)程。

3、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

　　在內(nèi)壓下，閥體的最高應(yīng)力區(qū)是在頸部與流道的連接處，其特征是垂直于中心線平面的周向拉力的最大值在內(nèi)表面。下面使用詳細(xì)的計(jì)算公式來(lái)控制這個(gè)拐角區(qū)的總體一次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。

　　(1)內(nèi)壓引起的一次薄膜應(yīng)力

(1)

　　式中 Pm———總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，MPa

　　Af、Am———流道中心線的共同平面內(nèi)拐角區(qū)流體面積，mm2

　　Ps———標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算壓力( 依據(jù)NB-3545.1) ，MPa

　　經(jīng)計(jì)算，Pm =73.82MPa

圖2 壓力面積

　　(2)二次應(yīng)力

　　由管道反作用力引起的二次應(yīng)力應(yīng)得到滿足，以保證閥體能安全傳遞由連接管道系統(tǒng)產(chǎn)生的力和力矩(圖3)。由管道反作用力引起的二次應(yīng)力為

(2)

　　式中 Cb———由連接管道力矩引起的閥體二次彎曲應(yīng)力指數(shù)

　　Fb———標(biāo)準(zhǔn)接管的彎曲模量，MPa

　　Gb———拐角區(qū)閥體截面彎曲模量，mm3

　　經(jīng)計(jì)算，Peb=39.07MPa<1.5×Sm2(Sm2=185.7MPa)，合格。

圖3 確定閥體二次應(yīng)力的截面

4、結(jié)語(yǔ)

　　本文分別使用ANSYS軟件及ASME經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)某核一級(jí)閘閥進(jìn)行了仿真分析及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

　　由ANSYS軟件得出的閥體一次薄膜應(yīng)力為69.193MPa，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到一次薄膜應(yīng)力為73.82MPa(誤差為6.27%) ，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性。由ANSYS軟件得出的薄膜加彎曲應(yīng)力值為115.31MPa，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的薄膜加彎曲應(yīng)力為 112.89MPa (誤差為2.14%)，證明了軟件分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通 過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可知，2種方法的計(jì)算誤 差都在合理范圍之內(nèi)，兩種計(jì)算方法都是正確的。因此，在新閥門(mén)的研發(fā)計(jì)算中可以使用較簡(jiǎn)單的有限元仿真分析方法，而使用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法作為對(duì)仿真分析方法的設(shè)計(jì)校核。