核級(jí)手動(dòng)偏心球閥抗震分析

沈佳輝，林 鋒，何 琰，劉 龍

（1.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200011；2.浙江三方控制閥股份有限公司，浙江富陽 311400；3.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

核級(jí)手動(dòng)偏心球閥抗震分析

沈佳輝1，林 鋒2，何 琰2，劉 龍3

（1.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200011；2.浙江三方控制閥股份有限公司，浙江富陽 311400；3.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

利用ANSYS軟件建立了手動(dòng)偏心球閥的三維有限元模型，進(jìn)行抗震分析，不僅進(jìn)行了靜力分析，還選取常見的典型地震波進(jìn)行譜分析和時(shí)程分析。通過計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)三種方法應(yīng)力計(jì)算結(jié)果接近；在計(jì)算效率上，靜力分析優(yōu)于譜分析和時(shí)程分析。

球閥；抗震；有限元

0 前言

球閥不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能好，而且在一定的公稱通經(jīng)范圍內(nèi)體積較小、重量輕、材料耗用少、安裝尺寸小，并且驅(qū)動(dòng)力矩小，操作簡(jiǎn)便，易實(shí)現(xiàn)快速啟閉[1-2]。隨著球閥的技術(shù)進(jìn)步，特別是在石油天然氣管線上、煉油裂解裝置上以及核工業(yè)上將有更廣泛的應(yīng)用。這就對(duì)球閥的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。特別對(duì)于手動(dòng)球閥，要包括地震載荷的所有工況下，滿足應(yīng)力要求。因此手動(dòng)球閥必須進(jìn)行抗震分析。

抗震分析主要研究閥門在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力和變形的情況。賈臻、王會(huì)等人[3]采用三維有限元分析軟件對(duì)核二級(jí)電動(dòng)球閥進(jìn)行了在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力分析和抗震校核分析。王偉[4]利用ANSYS有限元程序?qū)Π踩?jí)氣動(dòng)球閥進(jìn)行力學(xué)分析。蔡坤、樂修輝等[5]介紹了核二級(jí)閥門考慮地震載荷的應(yīng)力分析評(píng)定方法。周文霞、張繼革等[6]基于ANSYS有限元分析軟件，采用等效靜力法對(duì)調(diào)節(jié)閥的抗震性能進(jìn)行分析。

對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的設(shè)備，一般采用質(zhì)點(diǎn)模型，但誤差較大。并且對(duì)于大多數(shù)的閥門只是進(jìn)行了靜力計(jì)算，而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，還可以進(jìn)行譜分析和時(shí)程分析。因此，本文采用手動(dòng)球閥的三維實(shí)體模型進(jìn)行抗震有限元靜力分析和動(dòng)力分析。

本文以某型號(hào)核級(jí)手動(dòng)偏心球閥為例，首先介紹了閥門抗震分析一般方法，其次利用ANSYS軟件進(jìn)行了閥門整體三維結(jié)構(gòu)模型的自振頻率計(jì)算，然后進(jìn)行靜力分析，最后選取常見的地震波進(jìn)行譜分析和時(shí)程分析。

1 抗震分析方法

1.1 靜力分析

假設(shè)結(jié)構(gòu)物各部分與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng)規(guī)律。結(jié)構(gòu)因地震力引起的慣性力等于地面運(yùn)動(dòng)加速度與結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的乘積，以此慣性力作為靜力施加于結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)線彈性靜力分析[7]。

響應(yīng)譜法將動(dòng)力問題靜力化，對(duì)于求解非解耦振動(dòng)問題，當(dāng)受到地震激勵(lì)時(shí)將系統(tǒng)的主要模態(tài)與響應(yīng)譜進(jìn)行組合近似代表整個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際響應(yīng)[8]。

1.3 時(shí)程分析

時(shí)程分析法是將實(shí)際地震動(dòng)記錄或人工生成的地震波作用于結(jié)構(gòu)，直接對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值積分而求得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的時(shí)間歷程。只要正確選擇地震動(dòng)主要參數(shù)，且所選用的地震波基本符合這些主要參數(shù)，時(shí)程分析法就可以在一定程度上給出未來地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)[7]。

2 建立有限元模型

2.1 材料性能

手動(dòng)偏心球閥主/副閥體、閥蓋材料均為Z3CN20-09M，設(shè)計(jì)溫度為-20℃～200℃。螺母、螺柱材料為M5120/M5110-Z6CN18-10。材料常數(shù)[9]設(shè)置為：彈性模量 E=190GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7 800kg/m3。

2.2 建立模型

利用有限元法求解，首先要建立合理的模型，本文分析對(duì)象為手動(dòng)偏心球閥，采取在AN?SYS[10]中直接整體建模的方式。由于閥門零件較多，為了提高計(jì)算效率，在建立有限元模型時(shí)作了必要的簡(jiǎn)化。例如，閥門結(jié)構(gòu)外形中的一些倒角等細(xì)節(jié)處，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能影響極小，建模時(shí)可以忽略。而在閥體、閥芯接觸處，在地震載荷作用下是典型的結(jié)構(gòu)薄弱部位，故此處的尺寸嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸建模。

考慮到閥體物理形狀、材料、載荷等都具有對(duì)稱性，沿對(duì)稱面截取一半有限元模型進(jìn)行計(jì)算。這樣做既可縮短分析求解時(shí)間，提高運(yùn)算速度，又可將單元可劃分更細(xì)，計(jì)算結(jié)果更精確[11]。

Django框架則采用MTV模式，其本質(zhì)和MVC是一樣的，是為了各組件間保持松耦合關(guān)系。M(Model)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)對(duì)象和數(shù)據(jù)庫的關(guān)系映射 (ORM)，T代表模板(Template)，負(fù)責(zé)如何把頁面展示給用戶)，V代表視圖（View）負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯，協(xié)調(diào)調(diào)用 Mode和 Template。URL分發(fā)器根據(jù)正則表達(dá)式來匹配統(tǒng)一資源定位符(URL)，如果匹配成功則會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的視圖處理函數(shù)。

2.3 網(wǎng)格劃分

單元類型選取 Structure Solid Brick 20node 95，計(jì)算模態(tài)時(shí)采用Block Lanczos法，應(yīng)力分析時(shí)采用Pre-Condition CG求解器。

在網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)閥門受力特點(diǎn)，應(yīng)用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行劃分。如在閥體內(nèi)部，是典型的結(jié)構(gòu)薄弱部位，在地震載荷作用下應(yīng)力較大，故此處的網(wǎng)格最密集。而在閥體邊緣處等，應(yīng)力較小，不是結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位，故此處的網(wǎng)格較疏。這樣處理，兼顧了計(jì)算效率與計(jì)算精度的要求。一共劃分了29 777個(gè)單元。手動(dòng)偏心球模型如圖1所示。

圖1 手動(dòng)偏心球閥三維有限元模型

2.4 載荷及邊界條件

閥體兩端采用對(duì)接焊連接方式，將閥門邊界條件看作是固定約束形式，在對(duì)稱面上施加位移對(duì)稱邊界約束。

為簡(jiǎn)化計(jì)算及保守考慮，要考慮的載荷主要包括1.2倍的工作壓力、自重和2倍管道反作用力。其中，工作壓力取應(yīng)力設(shè)計(jì)值，即5 MPa。

靜力分析時(shí)取SSE工況，根據(jù)計(jì)算要求取三個(gè)方向的重力加速度，大小為5 g；譜分析取與頻率相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜值；時(shí)程分析時(shí)取實(shí)際的地震波。

本文所采用的地震波是EI地震波，該波是1940年 5月 18日美國(guó) IMPERIAL山谷地震（M7.1）在EI Centro臺(tái)站記錄的加速度時(shí)程[12]，EI波比其他有相似周期的地震波有更大的能量，更有代表性，因此選用EI地震波。

3 抗震有限元分析

3.1 固有頻率分析

本文在計(jì)算模態(tài)頻率時(shí)采用Block Lanczos法提取8階模態(tài)，取8階是為進(jìn)行譜分析做準(zhǔn)備。各階頻率如表1所示。其中第1階頻率為737.35 Hz，一階振型如圖2所示。

表1 閥門的前8階頻率

圖2 手動(dòng)偏心球閥一階振型圖

3.2 靜力分析

先對(duì)閥體施加三個(gè)方向的重力加速度，大小為5 g，然后對(duì)球閥進(jìn)行靜態(tài)求解，最后得到靜態(tài)應(yīng)力云圖，如圖3所示。其中，應(yīng)力最大值為44.85 MPa，其運(yùn)算時(shí)間大約17 s。

圖3 手動(dòng)偏心球閥靜態(tài)應(yīng)力分布圖

3.3 響應(yīng)譜分析

在進(jìn)行響應(yīng)譜分析時(shí)，首先依據(jù)規(guī)范GB50011-2001第5.1.5條[13]，按7級(jí)多遇地震由前8階的固有頻率計(jì)算得到反應(yīng)譜值（加速度值），如表2所示。首先設(shè)定阻尼系數(shù)為0.02，接著輸入8個(gè)頻率和反應(yīng)譜值，然后對(duì)球閥進(jìn)行響應(yīng)譜分析，得到閥體應(yīng)力云圖，如圖4所示。其中，閥體的最大應(yīng)力為42.05 MPa，其運(yùn)算時(shí)間大約75 s。

表2 閥門反應(yīng)譜值

3.4 時(shí)程分析

在進(jìn)行時(shí)程分析前，選取一段EI地震波，如圖5所示。接著設(shè)定阻尼系數(shù)為0.02[14]，在閥體三個(gè)方向都加上地震波，最后得到的時(shí)程分析應(yīng)力圖，如圖6所示。其中，時(shí)程分析下的閥體的最大應(yīng)力是41.99 MPa，其運(yùn)算時(shí)間大約30 min。

圖4 手動(dòng)偏心球閥響應(yīng)譜應(yīng)力云圖

圖5 EI地震波譜

圖6 手動(dòng)偏心球閥時(shí)程分析應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

首先介紹了安全閥抗震分析一般方法，接著利用ANSYS軟件進(jìn)行了閥門整體三維結(jié)構(gòu)模型的自振頻率計(jì)算，最后利用ANSYS軟件對(duì)閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，響應(yīng)譜分析和時(shí)程分析。

通過模態(tài)分析計(jì)算得到的閥門的一階固有頻率為737.35 Hz，遠(yuǎn)大于33 Hz，故可采用靜力分析。

通過靜力分析、響應(yīng)譜分析和時(shí)程分析計(jì)算得到的閥門的最大應(yīng)力分別為44.85 MPa，42.05 MPa和41.99 MPa。從中看出，三種方法分析得到的應(yīng)力相差不多，靜力法中的5 g加速度相當(dāng)于7級(jí)地震。靜力分析、響應(yīng)譜分析和時(shí)程分析的運(yùn)算時(shí)間分別為17 s、75 s和30 min。從計(jì)算效率來看，靜力法優(yōu)于其他兩種方法。

通過計(jì)算比較，三種方法應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相近，而靜力法偏保守安全；要得到較為精確的計(jì)算結(jié)果，則可結(jié)合譜分析進(jìn)行抗震分析。

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Seismic Analysis of Manual Eccentric Ball Valve

SHEN Jia-hui1，LIN Feng2，HE Yan2，LIU Long3
（1.Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China；2.ZheJiang Sanfang Control Valve Co.，Ltd.，F(xiàn)uyang311400，China；3.Logistics Engineering College，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

In this study，the three-dimensional finite element model of manual eccentric ball valve is built using ANSYS software.Then the seismic analysis is carried out.Not only the static analysis is carried out，but also the spectrum analysis and time-history analysis are carried out through selecting common typical earthquake wave.Through comparison，we find the three results are close，but the static method is conservative.According to the actual requirements，the calculation results are close among three methods.In the computation efficiency，the static analysis is better than the spectrum analysis and time-history analysis.

ball valve；anti-seismic；FEM

TP391.77

：A

：1009－9492(2014)11－0033－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.009

沈佳輝，男，1990年生，上海人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。已發(fā)表論文1篇。

(編輯：阮 毅)

2014－05－18