艇用止回閥抗沖擊分析求解路線(xiàn)探討

　　基于A(yíng)nsys對艇用止回閥抗沖擊要求進(jìn)行分析，求解了止回閥沖擊應力結果，并對其進(jìn)行評定。獲得了止回閥抗沖擊分析的常用方法，縮短了研發(fā)周期。

1、概述

　　艇用止回閥水平安裝在非能動(dòng)余熱排出系統管路上，是二回路系統壓力邊界的一部分，止回閥利用介質(zhì)的流動(dòng)實(shí)現自動(dòng)開(kāi)、關(guān)閥門(mén)。當閥前的管道發(fā)生破裂或斷裂事故時(shí)，止回閥自動(dòng)關(guān)閉，以防止蒸汽發(fā)生器二次側水喪失。由于該閥門(mén)所處的使用環(huán)境及部位，要求其抗沖擊等級為Ⅰ類(lèi)。

2、分析

　　閥門(mén)主體材料的屈服強度和抗拉強度均為常溫下的值。各部件的許用應力按照規范2 級閥門(mén)確定。即屈服強度為室溫下規定的最小屈服強度的2 /3 與設計溫度下屈服強度的2 /3 中的較小值，抗拉強度為室溫下規定的最小抗拉強度的1 /4 與設計溫度下抗拉強度的1 /4 中的較小值。根據GB 842.31A 及ASME 的相關(guān)規定，止回閥的抗沖擊評定載荷工況組合如表1 所示。

　　設計工況評定限制最嚴格，分析中只評定設計工況和水壓試驗工況。閥門(mén)的承壓邊界主要包括閥體和閥蓋。從力學(xué)特性分析，可以認為閥體和閥蓋作為一個(gè)整體來(lái)承受內壓產(chǎn)生的載荷。因此，在建立有限元模型時(shí)，將閥體和閥蓋作為一個(gè)整體進(jìn)行建模( 圖1) ，忽略連接螺栓的影響，但將中法蘭螺柱的初始緊固力作為載荷施加到閥體和閥蓋的法蘭上。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)考慮到地震載荷的非對稱(chēng)性，模型取實(shí)際結構的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。而內部部件則忽略其剛度，只將其質(zhì)量疊加到模型中去。各個(gè)法蘭在接觸面處合并成一個(gè)整體。分析采用的坐標系Y 向為垂直方向，Z 向為沿閥體的通徑方向。

表1 抗沖擊評定載荷工況

注: 設計工況所評定載荷工況組合已包含工況1、2、3、4 所評定的載荷工況。

　　模型用四面體10 節點(diǎn)單元建立，共有17 484個(gè)節點(diǎn)，67 669 個(gè)單元。有限元分析使用的前處理軟件為Hyperworks，計算軟件為ANSYS。閥體通徑的左端面約束沿Z 向和切向平動(dòng)位移，右端面約束沿Z 向和切向平動(dòng)位移。模型中的載荷有4 種。①設計內壓P = 15. 1MPa，作用于閥體和閥蓋的內腔上。②中法蘭螺柱的初始緊固力，即作用于閥體主法蘭的8 個(gè)螺紋孔的側面( 緊固力方向向上) 和閥蓋主法蘭的8 個(gè)螺栓孔的頂端面( 緊固力方向向下) 。③自重，即1. 0g 的加速度載荷，沿- Y 方向作用于閥體的全部質(zhì)量上。④沖擊載荷，采用頻譜分析法進(jìn)行計算。

圖1 閥門(mén)整體的有限元模型

　　首先進(jìn)行模態(tài)分析，以了解結構的整體動(dòng)力學(xué)特性。計算表明，閥門(mén)整體結構的基頻為462Hz( 圖2) ，第2 階頻率為1 009Hz( 圖3) ，閥門(mén)整體結構的前兩階振型均表現為閥門(mén)整體的擺動(dòng)。對于設備而言，一般認為基頻超過(guò)33Hz 即可認為是剛性體，因此可認為閥門(mén)整體結構的剛度足夠大，在地震中可以視其為是剛體。

圖2 閥門(mén)的第1 階振型

圖3 閥門(mén)的第2 階振型

3、設計工況計算

　　3.1、低頻區

　　對于低頻區( 0 ～ 10Hz) ，主要施加位移譜，垂向和橫向施加強迫位移20mm、縱向施加強迫位移10mm( 圖4) 。對閥體進(jìn)行應力評價(jià)。閥體最大應力點(diǎn)位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應力為179. 4MPa，是一個(gè)整體結構不連續區域。最大應力點(diǎn)處的一次薄膜應力強度不超過(guò)38MPa，一次薄膜加一次彎曲應力強度( 即一次應力強度) 不超過(guò)98MPa，一次應力強度加二次應力強度不超過(guò)124MPa，超過(guò)二次應力強度的應力屬于峰值應力強度。

圖4 低頻沖擊條件下閥門(mén)整體的應力分布

　　3.2、中頻區

　　對于中頻區( 10 ～160Hz) ，主要施加速度譜，垂向和橫向施加速度1.2m /s、縱向施加速度0.61m /s( 圖5) 。對閥體進(jìn)行應力評價(jià)，閥體最大應力點(diǎn)位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應力為190.6MPa，是一個(gè)整體結構不連續區域。最大應力點(diǎn)處的一次薄膜應力強度不超過(guò)42MPa，一次薄膜加一次彎曲應力強度( 即一次應力強度) 不超過(guò)105MPa，一次應力強度加二次應力強度不超過(guò)137MPa，超過(guò)二次應力強度的應力屬于峰值應力強度。

圖5 中頻沖擊條件下閥門(mén)的應力分布

　　3.3、高頻區

　　對于高頻區( 160 ～ 800Hz ) ，主要施加加速度譜，垂向和橫向施加速度125g、縱向施加加速度61g( 圖6) 。對閥體進(jìn)行應力評價(jià)。閥體最大應力點(diǎn)位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應力為375.8MPa，是一個(gè)整體結構不連續區域，最大應力點(diǎn)處的一次薄膜應力強度不超過(guò)68MPa，一次薄膜加一次彎曲應力強度( 即一次應力強度) 不超過(guò)125MPa，一次應力強度加二次應力強度不超過(guò)167MPa，超過(guò)二次應力強度的應力屬于峰值應力強度。

圖6 高頻沖擊條件下閥門(mén)的應力分布

4、水壓試驗工況

　　水壓試驗工況下主要對閥體施加1.1 倍設計壓力的載荷( 圖7) 。對水壓試驗工況下閥體的應力分布進(jìn)行分析，閥體最大應力點(diǎn)位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應力為101.4 MPa，是一個(gè)整體結構不連續區域，最大應力點(diǎn)處的一次薄膜應力強度不超過(guò)65MPa，一次薄膜加一次彎曲應力強度( 即一次應力強度) 不超過(guò)110MPa。

圖7 水壓試驗工況下閥門(mén)的應力分布

5、應力評價(jià)

　　應力評價(jià)見(jiàn)表2。

表2 應力評價(jià)

6、結語(yǔ)

　　通過(guò)對艇用止回閥的地震和沖擊條件下的力學(xué)計算，得出閥門(mén)的主要承壓邊界部件的應力水平和主要連接螺栓的承載能力滿(mǎn)足相應規范的應力限值要求，并有一定的安全裕度，能夠保證承壓邊界結構的完整性。閥門(mén)的主要傳動(dòng)部件始終處于彈性階段，變形很小，且可以完全恢復，可以保障閥門(mén)在地震條件和沖擊條件下的可運行性。