地震載荷下壓力容器角焊縫仿真模擬研究

牛瑞濤　劉景源

摘 要：對于設(shè)備應(yīng)力評定問題，文章提出了三種壓力容器支座墊板與筒體環(huán)向連接角焊縫的有限元模擬方法，分別是墊板不加厚模型、墊板加厚模型和精確模型。從整體剛度和焊縫處局部應(yīng)力兩個方面進(jìn)行了三種方法的對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，墊板補(bǔ)強(qiáng)不影響整體剛度，墊板不加厚模型對焊縫處應(yīng)力模擬過于保守，墊板加厚模型既能降低建模成本，又能準(zhǔn)確模擬壓力容器力學(xué)性能。因而，推薦采用墊板加厚模型進(jìn)行壓力容器支座墊板與筒體環(huán)向連接角焊縫模擬。

關(guān)鍵詞：壓力容器；角焊縫；仿真建模；應(yīng)力評定

焊接是一種重要的壓力容器結(jié)構(gòu)連接方式，焊縫處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是壓力容器安全評定的重要方面，采用有限元仿真方法對壓力容器進(jìn)行安全評定時，無法回避的問題就是如何對焊縫進(jìn)行合理建模。焊縫力學(xué)性能領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的研究進(jìn)展，朱政強(qiáng)等進(jìn)行了不同振動加速度下焊縫金屬動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究；陳譽(yù)研究了圓鋼管節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的殼體和實(shí)體焊縫有限元模型研究；陳峰等利用有限元方法對核電廠IHP鋼平臺焊縫處進(jìn)行了受力分析。

文章提出了三種不同的焊縫仿真方法，并對其力學(xué)計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，目的是為工程設(shè)備焊縫仿真提供技術(shù)參考。

1 壓力容器角焊縫模型

本研究源自核電站核安全級設(shè)備抗震計算工程技術(shù)需要。工程實(shí)例為某壓力容器支座墊板與筒體之間的環(huán)向單邊角焊縫。在設(shè)備抗震仿真計算中，一個合理的有限元模型必須同時滿足兩點(diǎn)要求：（1）準(zhǔn)確性，模型必須能準(zhǔn)確模擬設(shè)備的力學(xué)結(jié)構(gòu)特性；（2）經(jīng)濟(jì)性，模型建立成本必須保持在一定的合理范圍之內(nèi)，以滿足工程的經(jīng)濟(jì)成本要求?？偠灾?，合理的仿真模型需要在較低的計算成本下計算得到較準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

基于這一考慮，本研究立足于：如何在保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下對前述周圍單邊角焊縫進(jìn)行簡易建模。本研究提出并比較了三種角焊縫建模方法：（1）墊板不加厚模型，此方法不考慮墊板對設(shè)備的補(bǔ)強(qiáng)作用，因?yàn)楣こ逃邢拊r應(yīng)忽略次要因素的影響，此方法用于驗(yàn)證墊板補(bǔ)強(qiáng)是否顯著影響設(shè)備力學(xué)特性；（2）墊板加厚模型，此方法假定墊板對設(shè)備力學(xué)特性的影響主要為墊板處局部剛度的增大；（3）精確模型，此方法采用MPC184 rigid beam單元模擬墊板與筒體之間的周邊角焊縫，較為繁瑣，建模成本增大。下文將對三種焊縫建模方法的計算結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證不同方法的優(yōu)劣。

2 三種角焊縫模擬方法對比分析

2.1 整體剛度

結(jié)構(gòu)剛度是結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，為了研究不同焊縫模擬方法對容器剛度的影響，本節(jié)進(jìn)行三種模型整體剛度的對比分析。容器整體剛度的性能表征可以通過容器固有頻率這一參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識，固有頻率是質(zhì)量參數(shù)和剛度參數(shù)的函數(shù)，因?yàn)槿N模型的質(zhì)量相同，所以模型剛度變化就會引起固有頻率的相應(yīng)改變，剛度變化越大，相應(yīng)的固有頻率值的差異越明顯。對三種模型進(jìn)行模態(tài)分析（采用BLOCK LANCZOS法），三種模型計算得到的同階振型模態(tài)相同，但是同階振型對應(yīng)的固有頻率值有所差異，前兩階振動頻率值如表所示。從表1中可以看出，墊板不加厚模型的固有頻率值均小于精確模型，而墊板加厚模型的固有頻率值均大于精確模型；與精確模型相比，兩種近似模型的固有頻率誤差均不超過10%。因此可以認(rèn)為不同的焊縫簡化處理方法對結(jié)構(gòu)整體剛度影響不大，均滿足工程應(yīng)用要求。

常用的地震響應(yīng)工程計算方法有等效靜力法（地震載荷采用地震譜零周期加速度）、準(zhǔn)靜力法（地震載荷采用地震譜峰值加速度的1.5倍）和譜分析法。在核安全設(shè)備抗震評定中，地震譜截斷頻率通常在33Hz左右，所分析壓力容器僅有第一階固有頻率稍低于截斷頻率，因此，雖然所分析壓力容器不屬于剛性結(jié)構(gòu)，不能采用等效靜力法進(jìn)行地震響應(yīng)計算，但是可以采用準(zhǔn)靜力法。

2.2 焊縫處局部應(yīng)力

結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布是進(jìn)行壓力容器強(qiáng)度評定工作最直接的數(shù)據(jù)支持。焊縫處幾何和材料均發(fā)生不連續(xù)，因此焊縫附近區(qū)域應(yīng)力分布屬于典型的局部應(yīng)力，焊縫處局部應(yīng)力過大會嚴(yán)重危害壓力容器的服役可靠性，因此，不同方法求解得到的焊縫處局部應(yīng)力準(zhǔn)確程度是一個令人關(guān)心的問題。本節(jié)采用準(zhǔn)靜力法進(jìn)行壓力容器的地震響應(yīng)求解，三種模型計算得到的焊縫處第一主應(yīng)力分布（核安全設(shè)備應(yīng)力評定中通常采用最大主應(yīng)力理論）如圖1所示。從圖中可以看出，墊板不加厚模型的焊縫處局部應(yīng)力最大值是其它兩種模型的幾十倍，說明采用墊板不加厚模型得到的焊縫處應(yīng)力過高，結(jié)果過于保守，當(dāng)需要校核焊縫抗震安全性時不宜采用墊板不加厚模型進(jìn)行計算。同時，采用墊

板加厚后焊縫處應(yīng)力急劇減小這一事實(shí)驗(yàn)證了壓力容器設(shè)計中采用墊板加厚處理的合理性；墊板加厚模型焊縫處最大應(yīng)力比精確模型降低了約29%，再考慮到墊板加厚模型的建模工作量遠(yuǎn)小于精確模型，綜合來講，墊板加厚模型焊縫處應(yīng)力計算精度較高且建模成本下降明顯，因此，可以采用墊板加厚模型進(jìn)行焊縫處應(yīng)力抗震計算。

3 結(jié)語

文章利用有限元方法進(jìn)行了三種壓力容器支座與筒體連接角焊縫的對比分析，并形成了以下結(jié)論：

（1）墊板補(bǔ)強(qiáng)對壓力容器整體剛度影響較小，可能是由于結(jié)構(gòu)剛度較大；

（2）墊板不加厚模型計算得到的焊縫處受力過高，當(dāng)需要校核焊縫抗震安全性時過于保守，可能會引起材料的浪費(fèi)；

（3）墊板加厚模型能夠準(zhǔn)確模擬壓力容器力學(xué)性能，計算成本又較精確模型顯著地降低，文章認(rèn)為此方法適用于所針對的壓力容器支座與筒體連接角焊縫應(yīng)力評定，但是此方法對更廣泛的設(shè)備焊縫模擬的適用性仍值得進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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