核電常規(guī)島用超高液壓螺栓拉伸器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析

張澄東，浦琪琦，張江濤，李萍

(上海電力修造總廠有限公司，上海 201316）

核電常規(guī)島用超高液壓螺栓拉伸器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析

張澄東，浦琪琦，張江濤，李萍

(上海電力修造總廠有限公司，上海 201316）

針對(duì)核電常規(guī)島用螺栓拉伸器具有超高壓、超小空間作業(yè)工況的特性，提出一種基于數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)相接合的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)螺栓拉伸器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——缸體與螺帽進(jìn)行有限元校核，并與測(cè)定的應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；同時(shí)分析參數(shù)Rm、D對(duì)螺帽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化特性。研究結(jié)果表明:初設(shè)的缸體強(qiáng)度和剛度滿足材料的要求，但螺帽在“L型”截面拐點(diǎn)處出現(xiàn)“負(fù)”安全系數(shù)；優(yōu)化螺帽結(jié)構(gòu)尺寸，當(dāng)Rm=8 mm，D=60 mm時(shí)與初設(shè)參數(shù)相比應(yīng)力減小了121.2%，應(yīng)變減小了58%，安全系數(shù)得到極大提高，這為該設(shè)備的可靠性和安全性提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

常規(guī)島；螺栓拉伸器；螺帽；缸體；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著核電技術(shù)的不斷發(fā)展，核電設(shè)備裝配中大型的螺栓聯(lián)接起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)上常用力矩扳手法和螺栓加熱法來(lái)預(yù)緊大螺栓，此方法易對(duì)設(shè)備、螺栓及密封材料產(chǎn)生損傷，而且預(yù)緊力不均勻會(huì)造成設(shè)備間的泄漏及聯(lián)接件變形，無(wú)法滿足質(zhì)檢嚴(yán)格的核電事業(yè)要求［1－3］。目前世界上核電站廣泛運(yùn)用先進(jìn)的液壓拉伸預(yù)緊技術(shù)，它具有緊固精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。某公司自主研發(fā)的核電用超高液壓拉伸器為常規(guī)島給水泵設(shè)備配套的重要專用工具之一，它不僅承擔(dān)著常規(guī)島給水泵安裝、拆卸時(shí)設(shè)備主螺栓上的拉伸預(yù)緊，而且具有螺帽快速旋緊、松開(kāi)的功能［4］。螺栓拉伸器的設(shè)計(jì)是否合理、安全與可靠，直接影響設(shè)備的裝配質(zhì)量和使用效果。文中利用ANSYS對(duì)拉伸器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性進(jìn)行探討，為研制核電用特定超高液壓螺栓拉伸器提供技術(shù)支持。

1 螺栓拉伸器的原理及參數(shù)

螺栓拉伸器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。高壓油通過(guò)快速接頭進(jìn)入油缸工作腔，隨著壓力的增大使活塞向上頂起，活塞帶動(dòng)螺帽一起運(yùn)動(dòng)，而被拉伸的螺栓是擰在螺紋套中的，因此螺栓在彈性變形范圍內(nèi)被拉長(zhǎng)，螺母則與接觸面脫離開(kāi)來(lái)，此時(shí)用手棒在支架的開(kāi)口處轉(zhuǎn)動(dòng)螺母。卸去油缸內(nèi)的高壓油，螺栓靠本身彈性鎖住軸向變形，從而達(dá)到螺栓拉伸器預(yù)緊的目的［5］。

圖1 螺栓拉伸器的三維示意圖

拉伸器油壓力參數(shù)的確定至關(guān)重要。如果壓力過(guò)大，會(huì)造成拉伸器強(qiáng)度損壞，也有可能使螺栓的拉伸變形超出彈性范圍；如果壓力過(guò)小，設(shè)備之間的連接高密封比壓得不到保證，也會(huì)危害到設(shè)備的安全運(yùn)行。螺栓材料在彈性變形階段，其伸長(zhǎng)量與所加荷載成正比關(guān)系，螺栓伸長(zhǎng)量計(jì)算公式如下:

該常規(guī)島給水泵用大螺栓M80×6，材料選用具有高強(qiáng)度、韌度和良好淬透性的35CrMoA，其彈性模量為2.13×106MPa；螺栓拉伸器活塞內(nèi)、外徑分別為133.5和193 mm；活塞的最大行程為10 mm，通過(guò)公式 (3）計(jì)算帶有富裕量的最大工作壓力約為110 MPa。

2 液壓拉伸器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 等效模型與邊界設(shè)置

此常規(guī)島用液壓拉伸器作業(yè)于超小空間、超高壓工況，材料的選用以及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核對(duì)設(shè)備和工作人員的安全起著重要的作用。通過(guò)力學(xué)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，缸體和螺帽是主要的承壓零件，導(dǎo)角過(guò)渡處產(chǎn)生集中應(yīng)力，易從此處發(fā)生裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致拉伸器設(shè)備損壞。缸體H和螺帽D高度是所研究應(yīng)變的范圍；而缸體內(nèi)“U” (從a到b）和螺帽“L” (從c到d）則為研究的應(yīng)力區(qū)域。Rm為螺帽L過(guò)渡處的倒角 (如圖2所示）。其中:ΔL為螺栓預(yù)緊拉伸伸長(zhǎng)量；L為螺栓有效長(zhǎng)度；E為螺栓材料的彈性模量；SB為螺栓截面積；δ為預(yù)留的伸長(zhǎng)量。通常 ΔL/L為 6×10－4～7×10－4［1］。螺栓所承受的荷載N可以由液壓缸油壓p和液壓缸活塞截面積SD確定:

圖2 缸體和螺帽的半截面示意圖

通過(guò)公式 (1）和 (2）可知拉伸器工作時(shí)需要輸入到液壓缸的壓力值，其表達(dá)式如下:

為了保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算機(jī)資源的有效利用，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行如下處理:省略缸體、螺帽細(xì)微結(jié)構(gòu)，如缸體進(jìn)油口尺寸、螺帽圓柱銷孔以及缸體、螺帽外端的斜倒角；著重分析缸體、螺帽承壓過(guò)段圓弧區(qū)域，為保證有足夠的計(jì)算精度，此處網(wǎng)格加密細(xì)分［6］；以實(shí)體模型方式單獨(dú)對(duì)缸體、螺帽進(jìn)行仿真。

缸體、螺帽的材質(zhì)為40CrNiMoA，彈性模量2.09×106MPa。實(shí)體網(wǎng)格劃分采用SOLID45六面體單元，缸體和螺帽單元各約為25萬(wàn)，如圖3所示。根據(jù)螺栓拉伸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際約束情況，對(duì)缸體底端和螺帽上與螺栓相聯(lián)接區(qū)域采用全固定約束，以消除結(jié)構(gòu)的剛性位移。當(dāng)活塞達(dá)到最大行程時(shí)作為靜力分析的臨界點(diǎn)，作用于缸體內(nèi)部與螺帽的壓力為110 MPa。

圖3 缸體和螺帽的網(wǎng)格圖

2.2 計(jì)算的結(jié)果和分析

圖4為缸體模型外端H區(qū)域有限元仿真與試驗(yàn)(采用位移打點(diǎn)表，施加試驗(yàn)壓力，保壓5 min測(cè)量）對(duì)比曲線。不難發(fā)現(xiàn)兩者得到的應(yīng)變規(guī)律基本相同，隨著H的增加分布曲線先緩慢減小，然后在H=45.8 mm時(shí)急劇增加到最大值，此時(shí)仿真結(jié)果 (0.043 mm）是試驗(yàn)值的1.2倍。由于有限元算法采用最小勢(shì)能原理，連續(xù)離散化的過(guò)程使計(jì)算結(jié)果稍大于真實(shí)值，但兩者的值都遠(yuǎn)小于液力螺栓拉伸器外徑允許的變形量［7］:

式中:φt為缸體外徑變形量 (mm）；Dw為螺栓拉伸器本體外徑 (mm）。試驗(yàn)過(guò)程中，缸體在彈性變形范圍內(nèi)，無(wú)泄漏現(xiàn)象。

圖4 缸體模型H區(qū)域應(yīng)變值分布曲線

圖5 缸體U型區(qū)域應(yīng)力值分布曲線

從圖5中可以看出:缸體U型區(qū)域仿真應(yīng)力與理論力學(xué)結(jié)果變化規(guī)律基本也是相同，其值略高于理論值，且分布曲線在L=38.6、67.5 mm處有兩個(gè)極值點(diǎn)。這說(shuō)明了缸體兩倒角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，靠近螺紋端處應(yīng)力略大，如果缸體發(fā)生循環(huán)應(yīng)力疲勞，裂紋擴(kuò)展勢(shì)必從內(nèi)端向外擴(kuò)展。最大集中應(yīng)力為564.6 MPa，安全系數(shù)為1.48，缸體的剛度和強(qiáng)度滿足材料的性能要求。

圖6—7為螺帽模型D區(qū)域與L型區(qū)域應(yīng)變、應(yīng)力分布曲線?？梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)螺帽外端應(yīng)變變化較平緩，仿真最大值為0.183 mm，出現(xiàn)位置為D區(qū)域的兩端。而螺帽L型區(qū)域應(yīng)力在L=40 mm處 (拐點(diǎn)處）出現(xiàn)了劇增，無(wú)論仿真值還是理論值都大于材料的強(qiáng)度極限，出現(xiàn)了“負(fù)”安全系數(shù)，這是應(yīng)力集中系數(shù)過(guò)大造成的。

圖6 螺帽模型D區(qū)域應(yīng)變值分布曲線

圖7 螺帽L型區(qū)域應(yīng)力值分布曲線

為了更清楚的顯示缸體、螺帽的應(yīng)力和應(yīng)變細(xì)節(jié)，圖8給出了結(jié)構(gòu)的云圖。圖中清楚地看到缸體、螺帽的后處理應(yīng)變結(jié)果，以及集中應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域(紅色拐角處）。應(yīng)力集中系數(shù)過(guò)大勢(shì)必對(duì)設(shè)備及工作人員造成不必要的危害，接下來(lái)利用有限單元法對(duì)螺帽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 缸體、螺帽的應(yīng)變、應(yīng)力云圖

2.3 螺帽的優(yōu)化

從數(shù)值模擬的角度來(lái)分析參數(shù)Rm、D對(duì)螺帽應(yīng)變、應(yīng)力的影響，結(jié)果如圖9所示?？梢郧宄亓私鈶?yīng)變、應(yīng)力曲線變化趨勢(shì)與初設(shè)參數(shù)一致。倒角R m設(shè)定為4、6、8 mm，隨著參數(shù)的增大，D區(qū)域應(yīng)變曲線 (圖9(a））近似往下移，使最大應(yīng)變減?。煌瑫r(shí)當(dāng)Rm=8 mm，最大應(yīng)力值 (圖9(b））減小了50%。D設(shè)定為50、55、60mm，通過(guò)曲線 (圖9(c）、(d））發(fā)現(xiàn)與參數(shù)Rm變化趨勢(shì)基本一致?？紤]到活塞尺寸以及結(jié)構(gòu)質(zhì)量的限制，取Rm=8 mm，D=60 mm為優(yōu)化尺寸，得到優(yōu)化結(jié)果如圖10—11所示。

圖9 不同參數(shù)對(duì)螺帽的優(yōu)化分布曲線

圖10 螺帽D區(qū)域應(yīng)變最終優(yōu)化曲線

圖11 帽L型區(qū)域應(yīng)力 最終優(yōu)化曲線

從圖10和圖11可知:螺帽D區(qū)域最大應(yīng)變?yōu)?.113 mm，L型區(qū)域最大應(yīng)力為536 MPa。優(yōu)化后的設(shè)備質(zhì)量雖增加了1.1倍，但相比初設(shè)參數(shù)最大應(yīng)力減小了121.2%，應(yīng)變減小了58%，安全系數(shù)為1.43，提高了安全性能，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1）缸體的最大應(yīng)變發(fā)生在H=45.8 mm處，最大應(yīng)變?yōu)?.043 mm；而最大應(yīng)力發(fā)生在L=67.5 mm處，集中應(yīng)力最大為564.6 MPa，安全系數(shù)1.48。缸體的強(qiáng)度和剛度滿足材料的性能要求。

(2）螺帽最大應(yīng)變的仿真值為0.183 mm，發(fā)生在D區(qū)域的兩端，滿足設(shè)計(jì)要求。而由于應(yīng)力集中系數(shù)的影響，在螺帽L型倒角Rm過(guò)渡處最大應(yīng)力值達(dá)到1 186 MPa，是結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域。

(3）分析參數(shù)Rm、D對(duì)螺帽的應(yīng)力、應(yīng)變影響。隨著Rm、D的增大，螺帽的應(yīng)變、應(yīng)力都有明顯的減?。辉谔囟ǖ膬?yōu)化尺寸下最大應(yīng)變?yōu)?.113 mm，最大應(yīng)力為536 MPa，極大提高了結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行實(shí)際方案設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。

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Numerical Analysis on Key Structure of Super High Pressure Hydraulic Bolt Stretcher for Conventional Island of Nuclear Power

ZHANG Chengdong，PU Qiqi，ZHANG Jiangtao，LIPing
(Shanghai Power Equipment Manufacture Co.，Ltd.，Shanghai201316，China）

Aiming at the characteristics that the bolt stretcher for conventional island of nuclear power has the ultra high pressure，ultra small space operation conditions，a design method based on numerical analysis and experimentwas presented，the ANSYS software was used to check the cylinder block and blind nut，and the analysis resultswere compared with the experimental strain data.The optimization characteristices of the parameters Rm，D on the blind nutwere analyzed.The results show that:the strength and stiffness of first set of cylinder block can meet thematerial requirements，but the blind nut has“negative”safety factor in the inflection pointof“L”section；optimizing the blind nut structure size，when Rmand D are equal to 8mm and 60mm respectively，the stress decreases by 121.2%and the strain decreases by 58%comparingwith initial parameters，the safety coefficient is heightened，which provides design basis for the reliability and safety of the equipment.

Conventional island；Bolt stretcher；Blind nut；Cylinder block；Optimization

TH131

A

1001－3881(2014）10－045－3

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.013

2013－04－02

張澄東 (1977—），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事電站鍋爐給水泵的設(shè)計(jì)與研發(fā)。E－mail:zhang-chengdong@hotmail.com。