爆破閥拉力螺栓動(dòng)力學(xué)分析

　　介紹了爆破閥在A(yíng)P系列核電站自動(dòng)卸壓系統、低壓安注系統及安全殼再循環(huán)系統中的應用特性和技術(shù)要求。采用內彈道理論和動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA，對爆破閥的拉力螺栓進(jìn)行仿真分析，模擬了爆破閥內活塞在爆炸高壓下拉斷拉力螺栓的過(guò)程，得出了拉力螺栓拉斷斷面直徑以及活塞的速度- 時(shí)間曲線(xiàn)與爆炸產(chǎn)生的壓力- 時(shí)間曲線(xiàn)之間的關(guān)系。

　　1、概述

　　爆破閥是AP 系列核電站的關(guān)鍵和特殊設備，主要用于核電站第四級自動(dòng)卸壓系統、低壓安注系統以及安全殼再循環(huán)系統中。其主要工作原理是在嚴重事故工況下，通過(guò)開(kāi)啟閥門(mén)信號觸發(fā)爆破單元，產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)閥門(mén)中的活塞運動(dòng)，切斷閥門(mén)通徑的盲管。爆破閥能夠有效緩解和預防嚴重事故，減少了核電機組安全設備數量，改善核電機組的安全性和經(jīng)濟性。在爆破閥未打開(kāi)前，拉力螺栓一端連接閥蓋，另一端連接活塞。當接到觸發(fā)閥門(mén)開(kāi)啟的信號時(shí)，點(diǎn)火器引燃爆破單元，由爆破單元產(chǎn)生的高壓推動(dòng)活塞，將拉力螺栓拉斷，并保證活塞有足夠的能量快速下降沖擊剪斷剪切蓋，從而開(kāi)啟閥門(mén)，同時(shí)要保證閥門(mén)在爆炸高壓下壓力邊界的完整性。本文對爆破閥的火藥燃燒-拉力螺栓拉斷-活塞沖擊剪切蓋的過(guò)程進(jìn)行分析，主要采用理論公式求解和數值求解的方法，給出了壓力-時(shí)間曲線(xiàn)和活塞的速度-時(shí)間曲線(xiàn)，為剪切蓋沖擊分析提供了初始條件。

　　2、理論解析解

　　2.1、爆炸物理過(guò)程方程

　　爆破閥的物理過(guò)程具有單一裝藥內彈道學(xué)的基本特征。因此可以用單一裝藥內彈道學(xué)方程組進(jìn)行求解。理論計算采用經(jīng)典內彈道學(xué)理論，將整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段。①火藥開(kāi)始燃燒，螺栓未拉斷，活塞速度為0，此階段的特點(diǎn)是定容燃燒。② 螺栓已經(jīng)拉斷，活塞加速運動(dòng)，加速度不斷增大。③ 火藥已經(jīng)燒完，活塞加速運動(dòng)，加速度在最大壓力點(diǎn)之后變小，其具體計算方程為式(1) ～(5) 。

　　3、數值仿真模擬

　　采用ANSYS/LS-DYNA 計算模擬爆破閥內活塞在爆炸高壓下拉斷拉力螺栓的動(dòng)態(tài)過(guò)程，得到拉力螺栓截面直徑以及活塞速度- 時(shí)間曲線(xiàn)與爆炸產(chǎn)生的壓力- 時(shí)間曲線(xiàn)之間的關(guān)系。其中，加載于活塞上的壓力- 時(shí)間曲線(xiàn)由理論計算得到，拉力螺栓本構關(guān)系采用給定的應變率相關(guān)的應力-應變曲線(xiàn)。材料模型采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，此模型可以考慮材料應變率相關(guān)的特性。拉力螺栓拉斷過(guò)程見(jiàn)圖7。

圖7 拉力螺栓拉斷過(guò)程

　　當塑性應變達到某個(gè)設定值時(shí)，單元自動(dòng)刪除，模擬材料的拉斷效應。螺栓和活塞之間的連接采用CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 連接方式。這種接觸方式將螺栓從節點(diǎn)約束、限制在活塞主面上。這種接觸僅僅約束了叢節點(diǎn)的平動(dòng)自由度，且不考慮接觸的失效，不允許叢節點(diǎn)的偏置。計算得出的活塞位移- 時(shí)間曲線(xiàn)和速度- 時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖8 和圖9。

圖8 活塞位移- 時(shí)間曲線(xiàn)

圖9 活塞速度- 時(shí)間曲線(xiàn)

　　4、結語(yǔ)

　　爆破閥拉力螺栓拉斷的過(guò)程可以利用內彈道學(xué)公式進(jìn)行求解。利用Runge-Kutta 解法，得到爆破閥壓力和活塞速度等參數。在數值計算中，利用ANSYS/LS-DYNA建立了有限元模型，并給出計算結果。拉力螺栓的計算結果，為后續剪切蓋的計算，以及爆破閥的完整性分析提供了輸入。