核级阀门抗疲劳性能的分析.pdf

文章编号 1002258552009 0120030203 作者简介岳彭1982 - ,男,助理工程师,从事机电动力设备质量监督工作。 核级阀门抗疲劳性能的分析 岳彭 1,王砚军2,刘金梁2,王忠诚2,李阳3 11海军驻哈尔滨某军事代表室,黑龙江 哈尔滨150046;21哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司,黑龙江 哈尔滨150046; 31海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室,辽宁 沈阳110025 摘要 应用AW E Fatigue软件,根据ASM E法规第 Ⅲ 卷,对核级止回阀进行了疲劳强度分析。 考核了压力载荷的变化对阀体疲劳寿命所产生的影响。 关键词 AW E Fatigue;核级阀门;疲劳分析 中图分类号TH134 文献标识码A Fatigue analysis of the nuclear valve YU E Peng 1 ,WANG Yan2jun 2 , L IU Jin2liang 2 ,WANG Zhong2cheng 2 , L I Yang 3 1.Representative D epartm ent for ing complete sets of Naval Ships in the A rea of Haerbin, Haerbin150046, China; 2.HE Haerbin Pow er Plant V alve Company L im ited, Haerbin,150046; 3. Representative D epartm ent for ing complete sets of N aval Ships in the A rea of Shenyang, Shenyang110025, China AbstractIn this article, analysis of fatigue strength for nuclear valve and the load change’s effect on the fatigue life of the valve body has been carried out w ith AW E fatigue softw are and ASM EⅢcode. Key wordsAW E Fatigue; nuclear valve; fatigue analysis 1 概述 长期以来,核级阀门产品的疲劳可靠性一直为 人们关注的焦点。每年因结构疲劳失效,大量产品 在其有效寿命期内报废,由于疲劳破坏而造成的恶 性事故也时有出现,因此许多阀门生产企业将耐久 性定为产品质量控制的重要指标之一。AS ME法规 第 Ⅲ 卷和第 Ⅷ 卷的第2部分也对疲劳分析做出了详 细的规定。本文使用AWE Fatigue软件,结合AS ME 法规第 Ⅲ 卷的要求,以核级止回阀阀体为例进行了 详细的疲劳分析计算,同时提供了使用有限元方法 对核级阀门进行疲劳分析的设计计算方法。计算中 采用了简化的弹塑性假设和Miner疲劳累积损伤准 则。 2 分析 在传统的设计过程中,阀门产品的疲劳寿命通 常通过实验样机的耐久性试验得到,不但耗资巨大, 而且许多与失效相关的参数也不可能在试验中得 出,实验结论也受许多偶然因素的影响。近年来,随 着计算机技术发展而诞生的现代设计技术,可以使 企业以较低的成本设计出高耐久性产品成为可能。 例如,在产品设计阶段采用ANSYSWorkbench软件 的Fatigue插件以下简称AWE Fatigue ,可在实验 样机制造之前对阀门产品进行疲劳分析和优化设 计,预测产品的寿命,实现产品等寿命周期设计。 3 性能 核级止回阀图 1 参数如下。 安全级别 核一级 公称通径 2in. 50mm 压力等级 Class1500 工作温度 2000次 阀体材料 SA182 - F321H 4 建模 411 导入几何模型 启动AWE/Simulation。选择特定工具条内的 Geometry/From File选项。导入DesignModeler或其 03 阀 门 2009年第1期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 他三维软件创建的几何模型“body .3 ” 。为节约计 算机资源及缩短计算时间,选取阀体的一半作为研 究对象图 2 。 图1 核一级止回阀模型 图2 阀体模型 412 添加材料信息 在model/Geomrtry/body中,为材料赋予材料属 性。在definition/material/Structrual steel中,选择 New Material选项,打开Engineering Data对话框,输 入阀体材料的弹性模量、 泊松比、S - N疲劳曲线等 参数。特别强调,必须输入“Alternating Stress” 曲 线,否则在疲劳分析中会报错“missing stress life curve” 。 413 网格化分 在model/mesh中,确定网格尺寸。激活“Siz2 ing” 命令,在属性菜单中,选择整个阀体,指定网格 尺寸为4mm。激活“refinement” 命令,选取阀体中腔 与出口交界面的上顶点,定义refinement值为3。 按照工程实际经验,阀体中腔与出、 入口交界面 处会产生峰值应力,是疲劳分析关注的焦点。因此, 以图2中“A” 点为球心,对附近的网格进行refine2 ment细化,以提高疲劳分析结果的精确度图 3 。 414 选择分析类型并添加载荷与约束 选择结构静力学“Static Structural” 为分析类型。 在Static Structural中,添加载荷与约束。激活“fixed support” 命令,在阀门的出、 入口施加固定约束。激 活“Frictionless Support” 命令,在剖开的阀门中截面 上施加对称面约束。激活“Pressure” 命令,在阀体内 腔施加工作压力2013MPa。 图3 网格化分结果 415 设定参数 在Static Structural中,设定求解参数。选择In2 sert/Stress Intensity选项,插入最大剪应力理论 Tresca强度准则的SI NT应力。以寻找阀体峰值 应力出现的位置。选择Insert/Fatigue/Fatigue Tool 选项,进行疲劳分析的参数设置图 4 。如疲劳强 度削弱系数、 载荷类型及各种选择项目等。 图4 疲劳分析参数设置 1疲劳强度削弱系数Kf 材料的疲劳强度削弱系数Kf光滑试件的疲 劳强度Se/缺口试件的疲劳强度Sn,取Kf018。一 般构件是根据S - N曲线进行设计和选择材料的, 但是设计的可靠性不能因为有了S - N曲线就会得 到充分的保证。在实际中,有些重要的受力构件,即 使是在考虑安全系数后进行设计,仍然产生过早的 破坏。出现这种情况的主要原因是S - N曲线是用 表面经过抛光并无任何宏观裂纹的光滑试件通过试 验得出来的。但是实际情况并非如此,经过加工和 132009年第1期 阀 门 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 使用过程中的构件由于种种原因,例如非金属夹渣、 气泡、 锻造和轧制缺陷及腐蚀坑等都会存在各种形 式的裂纹,含有这种裂纹的构件承受交变载荷作用 时,表面裂纹会立即开始扩展,最后导致灾难性的破 坏。 2载荷类型 载荷类型中主要有4个选项。Zero - Based,R 0的脉动循环载荷,常用来模拟“ 启动-停止 ” 时 的疲劳。Full - Reversed,R - 1的对称疲劳循环 载荷。Ratio,恒定振幅的比例载荷模式。History Data,用户自定义输入的非恒定载荷。描述一个常 幅疲劳载荷谱需要两个参数,设最大应力为Smax,最 小应力为Smin,应力比RSmax/Smin。 在疲劳分析中,主要考虑阀体内腔压力由0变 化到工作压力,再由工作压力变化到0的循环过程, 因此选择“Zero - Based” 选项。 3选项 在选项的分析类型中选择Stress Life选项。 AS ME法规第 Ⅲ卷要求对构件的高周疲劳进行评 定,使用S - N曲线,因此选择Stress Life选项。而 Strain Life选项则表示低周疲劳,应使用“ 应变-寿 命 ” 曲线。 4主应力理论 在主应力理论选项中选择SN - None,其中主要 有4种理论。SN - None,使用材料的S - N曲线进 行疲劳强度分析。Goodman,对脆性金属,包括高强 度钢,其抗拉强度接近真实断裂应力,用Goodman 关系来描述或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很 好。Soderberg,对大多数工程合金, Soderberg关系对 疲劳寿命的估计比较保守。Gerber,对塑性材料,用 Gerber关系较好,模型偏于危险。 在Fatigue Tool中,选择Insert/life、Damage、 Safety Factor等选项,分别设置阀体的疲劳寿命、 疲 劳累积损伤系数和安全系数。在Damage、Safety Factor选项中,按照核级阀门技术规格书的要求,给 定设计寿命Design Life为2 000次循环。 5 求解 在完成参数设置后,选择基本工具条的Solve 选项,对阀门疲劳分析进行求解。 1选择Stress Intensity选项,查看阀体的应力 云图图 5 。结果显示,最大应力值出现在阀体中 腔与出口的交界面最顶端,与工程实际经验结论相 符合。对此处进行疲劳分析是正确的。 2选择Fatigue Tool/Life,得到阀体寿命分布, 最小寿命为77 609次循环。 3选择Fatigue Tool/Damage,得到阀体的疲劳 累积损伤系数为01025 77 1。设计合格。疲劳累 积损伤理论研究的是在变幅疲劳载荷作用下疲劳损 伤的累积规律和疲劳破坏准则。AWE Fatigue疲劳 计算是以AS ME第 Ⅲ 卷和第 Ⅷ 部分第2章为依据, 采用简化了的弹塑性假设和Miner线性疲劳累积损 伤理论进行疲劳分析。 图5 SI NT理论应力云图 4选择Fatigue Tool/Safety Factor,得到阀体的 安全系数为11822 图 6 。 图6 阀体的疲劳安全系数 6 结语 在阀门产品设计阶段应用计算机软件ANSYS Workbench对零部件模型进行疲劳强度检测分析, 可以提高效率,降低成本,优化结构,有利于新产品 的开发。 参考文献 〔1〕 AS ME,锅炉和压力容器规范第 Ⅲ 卷 压力容器建造规则〔S〕. 〔2〕 姚卫星.结构疲劳寿命分析 〔M〕.北京国防工业出版社, 2003. 〔3〕 李兵. ANSYSWorkbench设计、 仿真与优化〔M〕.北京清华大 学出版社, 2008. 收稿日期 20081111 30 23 阀 门 2009年第1期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载