核级阀门抗疲劳性能的分析

文章编号 : 100225855 (2009) 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 A SM 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 Fa tigue ana lysis of the nuclear va lve YU E Peng1 , W AN G Yan2jun2 , L IU J in2liang2 , W AN G Zhong2cheng2 , L I Yang3 (1. Rep resentative D epartm en t fo r form ing com p lete se ts of N aval Sh ips in the A rea of Haerb in, Haerb in 150046, China; 2. H E H aerb in Pow er Plant V alve Com pany L im ited, H aerbin, 150046; 3. Rep resen ta tive D epartm en t fo r fo rm ing com p le te sets of N aval Ships in the A rea of Shenyang, Shenyang 110025, Ch ina) Abstract: In th is a rtic le, ana lysis of fa tigue streng th fo r nuclear va lve and the load change’s effec t on the fa tigue life of the va lve body has been carried ou t w ith AW E fatigue sof tw are and A SM E Ⅲ code. Key words:AW E Fatigue; nuclea r va lve; fa tigue ana lysis 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。ASME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 AW E Fatigue软件 ,结合 ASME 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 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 M iner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 ANSYS Workbench软件 的 Fatigue插件 (以下简称 AW E 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 　2 in. (50mm ) 压力等级 　Class1500 工作温度 　 < 150℃ 使用寿命 　 > 2000次 阀体材料 　SA182 - F321H 4　建模 411　导入几何模型 启动 AW E /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. http://www.cnki.net 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/Geom rtry /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“A lternating Stress”曲 线 ,否则在疲劳分析中会报错“m issing 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 SINT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 Kf = 018。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 —13—2009年第 1期 　　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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。H istory 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 Sm in ,应力比 R = Smax /Sm in。 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 L ife 选项。 ASME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 L ife选项。而 Strain L ife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的要求 ,给 定设计寿命 (Design L ife)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/L ife,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。AW E Fatigue疲劳 计算是以 ASME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 M iner线性疲劳累积损 伤理论进行疲劳分析。 图 5　SINT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〕　ASME,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. ANSYS Workbench设计、仿真与优化〔M〕. 北京 :清华大 学出版社 , 2008. (收稿日期 : 2008111130) —23— 　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　2009年第 1期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net