艇用止回閥抗沖擊分析求解路線探究

艇用止回閥抗沖擊分析求解路線探究基于Ansys對艇用止回閥抗沖擊要求開展分析，求解了止回閥沖擊應(yīng)力結(jié)果，并對其開展評定。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余熱排出系統(tǒng)管路上，是二回路系統(tǒng)壓力邊界的一部分，止回閥利用介質(zhì)的流動實現(xiàn)自動開、關(guān)閥門。當閥前的管道發(fā)生破裂或斷裂事故時，止回閥自動關(guān)閉，以防止蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水喪失。由于該閥門所處的使用環(huán)境及部位，要求其抗沖擊等級為Ⅰ類。2、分析

閥門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(yīng)力按照規(guī)范2級閥門確定。即屈服強度為室溫下規(guī)定的最小屈服強度的2/3與設(shè)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(guī)定的最小抗拉強度的1/4與設(shè)計溫度下抗拉強度的1/4中的較小值。根據(jù)GB842.31A及ASME的相關(guān)規(guī)定，止回閥的抗沖擊評定載荷工況組合如下表1所示。

設(shè)計工況評定限制最嚴格，分析中只評定設(shè)計工況和水壓試驗工況。閥門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整體來承受內(nèi)壓產(chǎn)生的載荷。因此，在建立有限元模型時，將閥體和閥蓋作為一個整體開展建模(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:///)考慮到地震載荷的非對稱性，模型取實際構(gòu)造的三維模型開展網(wǎng)格劃分。而內(nèi)部部件則忽略其剛度，只將其質(zhì)量疊加到模型中去。各個法蘭在接觸面處合并成一個整體。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(shè)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(jié)點單元建立，共有17484個節(jié)點，67669個單元。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向和切向平動位移，右端面約束沿Z向和切向平動位移。模型中的載荷有4種。①設(shè)計內(nèi)壓P=15.1MPa，作用于閥體和閥蓋的內(nèi)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個螺紋孔的側(cè)面(緊固力方向向上)和閥蓋主法蘭的8個螺栓孔的頂端面(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，采用頻譜分析法開展計算。

圖1閥門整體的有限元模型

首先開展模態(tài)分析，以了解構(gòu)造的整體動力學(xué)特性。計算說明，閥門整體構(gòu)造的基頻為462Hz(圖2)，第2階頻率為1009Hz(圖3)，閥門整體構(gòu)造的前兩階振型均表現(xiàn)為閥門整體的擺動。對于設(shè)備而言，一般認為基頻超過33Hz即可認為是剛性體，因此可認為閥門整體構(gòu)造的剛度足夠大，在地震中可以視其為是剛體。

圖2閥門的第1階振型

圖3閥門的第2階振型3、設(shè)計工況計算

3.1、低頻區(qū)

對于低頻區(qū)(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)。對閥體開展應(yīng)力評價。閥體最大應(yīng)力點位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應(yīng)力為179.4MPa，是一個整體構(gòu)造不連續(xù)區(qū)域。最大應(yīng)力點處的一次薄膜應(yīng)力強度不超過38MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度(即一次應(yīng)力強度)不超過98MPa，一次應(yīng)力強度加二次應(yīng)力強度不超過124MPa，超過二次應(yīng)力強度的應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力強度。

圖4低頻沖擊條件下閥門整體的應(yīng)力分布

3.2、中頻區(qū)

對于中頻區(qū)(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)。對閥體開展應(yīng)力評價，閥體最大應(yīng)力點位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應(yīng)力為190.6MPa，是一個整體構(gòu)造不連續(xù)區(qū)域。最大應(yīng)力點處的一次薄膜應(yīng)力強度不超過42MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度(即一次應(yīng)力強度)不超過105MPa，一次應(yīng)力強度加二次應(yīng)力強度不超過137MPa，超過二次應(yīng)力強度的應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力強度。

圖5中頻沖擊條件下閥門的應(yīng)力分布

3.3、高頻區(qū)

對于高頻區(qū)(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)。對閥體開展應(yīng)力評價。閥體最大應(yīng)力點位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應(yīng)力為375.8MPa，是一個整體構(gòu)造不連續(xù)區(qū)域，最大應(yīng)力點處的一次薄膜應(yīng)力強度不超過68MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度(即一次應(yīng)力強度)不超過125MPa，一次應(yīng)力強度加二次應(yīng)力強度不超過167MPa，超過二次應(yīng)力強度的應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力強度。

圖6高頻沖擊條件下閥門的應(yīng)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(shè)計壓力的載荷(圖7)。對水壓試驗工況下閥體的應(yīng)力分布開展分析，閥體最大應(yīng)力點位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應(yīng)力為101.4MPa，是一個整體構(gòu)造不連續(xù)區(qū)域，最大應(yīng)力點處的一次薄膜應(yīng)力強度不超過65MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度(即一次應(yīng)力強度)不超過110MPa。

圖7水壓試驗工況下閥門的應(yīng)力分布5、應(yīng)力評價

應(yīng)力評價見表2。

表2應(yīng)力評價6、結(jié)語

通過對艇用止回閥的地震和沖擊條件下的力學(xué)計算，得出