基于Ansys對(duì)艇用止回閥抗沖擊要求進(jìn)行分析，求解了止回閥沖擊應(yīng)力結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)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(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(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開、關(guān)閥門。當(dāng)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(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(jí)為Ⅰ類。

2、分析

　　閥門主體材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均為常溫下的值。各部件的許用應(yīng)力按照規(guī)范2 級(jí)閥門確定。即屈服強(qiáng)度為室溫下規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度的2 /3 與設(shè)計(jì)溫度下屈服強(qiáng)度的2 /3 中的較小值，抗拉強(qiáng)度為室溫下規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度的1 /4 與設(shè)計(jì)溫度下抗拉強(qiáng)度的1 /4 中的較小值。根據(jù)GB 842.31A 及ASME 的相關(guān)規(guī)定，止回閥的抗沖擊評(píng)定載荷工況組合如表1 所示。

　　設(shè)計(jì)工況評(píng)定限制最嚴(yán)格，分析中只評(píng)定設(shè)計(jì)工況和水壓試驗(yàn)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(rèn)為閥體和閥蓋作為一個(gè)整體來(lái)承受內(nèi)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://www.13house.cn/)考慮到地震載荷的非對(duì)稱性，模型取實(shí)際結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行網(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(gè)法蘭在接觸面處合并成一個(gè)整體。分析采用的坐標(biāo)系Y 向?yàn)榇怪狈较�，Z 向?yàn)檠亻y體的通徑方向。

表1 抗沖擊評(píng)定載荷工況

注: 設(shè)計(jì)工況所評(píng)定載荷工況組合已包含工況1、2、3、4 所評(píng)定的載荷工況。

　　模型用四面體10 節(jié)點(diǎn)單元建立，共有17 484個(gè)節(jié)點(diǎn)，67 669 個(gè)單元。有限元分析使用的前處理軟件為Hyperworks，計(jì)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(shè)計(jì)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(gè)螺紋孔的側(cè)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(jì)算。

圖1 閥門整體的有限元模型

　　首先進(jìn)行模態(tài)分析，以了解結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力學(xué)特性。計(jì)算表明，閥門整體結(jié)構(gòu)的基頻為462Hz( 圖2) ，第2 階頻率為1 009Hz( 圖3) ，閥門整體結(jié)構(gòu)的前兩階振型均表現(xiàn)為閥門整體的擺動(dòng)。對(duì)于設(shè)備而言，一般認(rèn)為基頻超過(guò)33Hz 即可認(rèn)為是剛性體，因此可認(rèn)為閥門整體結(jié)構(gòu)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(jì)工況計(jì)算

　　3.1、低頻區(qū)

　　對(duì)于低頻區(qū)( 0 ～ 10Hz) ，主要施加位移譜，垂向和橫向施加強(qiáng)迫位移20mm、縱向施加強(qiáng)迫位移10mm( 圖4) 。對(duì)閥體進(jìn)行應(yīng)力評(píng)價(jià)。閥體最大應(yīng)力點(diǎn)位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應(yīng)力為179. 4MPa，是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域。最大應(yīng)力點(diǎn)處的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)38MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度( 即一次應(yīng)力強(qiáng)度) 不超過(guò)98MPa，一次應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)124MPa，超過(guò)二次應(yīng)力強(qiáng)度的應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力強(qiáng)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(duì)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(duì)閥體進(jìn)行應(yīng)力評(píng)價(jià)，閥體最大應(yīng)力點(diǎn)位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應(yīng)力為190.6MPa，是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域。最大應(yīng)力點(diǎn)處的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)42MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度( 即一次應(yīng)力強(qiáng)度) 不超過(guò)105MPa，一次應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)137MPa，超過(guò)二次應(yīng)力強(qiáng)度的應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力強(qiáng)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(duì)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(duì)閥體進(jìn)行應(yīng)力評(píng)價(jià)。閥體最大應(yīng)力點(diǎn)位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應(yīng)力為375.8MPa，是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，最大應(yīng)力點(diǎn)處的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)68MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度( 即一次應(yīng)力強(qiáng)度) 不超過(guò)125MPa，一次應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)167MPa，超過(guò)二次應(yīng)力強(qiáng)度的應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力強(qiáng)度。

圖6 高頻沖擊條件下閥門的應(yīng)力分布

4、水壓試驗(yàn)工況

　　水壓試驗(yàn)工況下主要對(duì)閥體施加1.1 倍設(shè)計(jì)壓力的載荷( 圖7) 。對(duì)水壓試驗(yàn)工況下閥體的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，閥體最大應(yīng)力點(diǎn)位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應(yīng)力為101.4 MPa，是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，最大應(yīng)力點(diǎn)處的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)65MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度( 即一次應(yīng)力強(qiáng)度) 不超過(guò)110MPa。

圖7 水壓試驗(yàn)工況下閥門的應(yīng)力分布

5、應(yīng)力評(píng)價(jià)

　　應(yīng)力評(píng)價(jià)見表2。

表2 應(yīng)力評(píng)價(jià)

6、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)艇用止回閥的地震和沖擊條件下的力學(xué)計(jì)算，得出閥門的主要承壓邊界部件的應(yīng)力水平和主要連接螺栓的承載能力滿足相應(yīng)規(guī)范的應(yīng)力限值要求，并有一定的安全裕度，能夠保證承壓邊界結(jié)構(gòu)的完整性。閥門的主要傳動(dòng)部件始終處于彈性階段，變形很小，且可以完全恢復(fù)，可以保障閥門在地震條件和沖擊條件下的可運(yùn)行性。