有限元分析在沉箱式輻照裝置中的應(yīng)用

高艷艷+李成業(yè)+常鐘澤

摘要：采用有限元分析法，借助有限元軟件，對(duì)1E級(jí)6.6kV籠式三相異步電動(dòng)機(jī)輻照老化方案中沉箱式輻照裝置進(jìn)行了有限元應(yīng)力應(yīng)變仿真模擬，分析計(jì)算了靜載荷條件下兩個(gè)裝置的整體應(yīng)力應(yīng)變分布和整體的危險(xiǎn)部位。并對(duì)輻照裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行了反復(fù)計(jì)算，提出了修改方案。并對(duì)沉箱式輻照裝置的流體分布進(jìn)行了模擬，增加氣流分配器，對(duì)輻照裝置內(nèi)部空氣流道進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：有限元；輻照裝置；壓力容器，COSMOSWorks

0 引言

沉箱式輻照裝置屬于1E級(jí)6.6KV籠式三相異步電動(dòng)機(jī)輻照老化方案中最重要的一個(gè)設(shè)備，是承載需要輻照電機(jī)的壓力容器。由于所要輻照的電機(jī)定子與保存水池的空間限制，不能設(shè)計(jì)成承壓能力較好的圓筒形，只能為立方體形。該裝置屬于壓力容器，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的校核分析，并且最大化的節(jié)省材料和加工。

通過(guò)在設(shè)計(jì)中采用COSMOSWorks，可以更快、更簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。另外，SolidWorks可計(jì)算流體是如何穿過(guò)零件或裝配體模型的，可以找到設(shè)計(jì)中的問(wèn)題區(qū)域，對(duì)零件進(jìn)行改進(jìn)。讓用戶在設(shè)計(jì)階段就能了解、驗(yàn)證并改善新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

1 輻照裝置箱體的有限元分析

1.1 設(shè)計(jì)校核所用準(zhǔn)則

在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了兩種失效理論：一是過(guò)量的彈性變形；另一個(gè)是由于過(guò)量的彈性變形而塑性失穩(wěn)，設(shè)計(jì)時(shí)通常假定彈性失效。

壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學(xué)響應(yīng)，最可能發(fā)生的失效形式確定力學(xué)響應(yīng)的限制值以判斷壓力容器能否安全使用是否獲得滿意的使用效果。

根據(jù)壓力容器的塑性失效準(zhǔn)則，平板在承受彎矩時(shí)的最大應(yīng)力為1.5時(shí)，整個(gè)截面才予屈服，因此由塑性失效準(zhǔn)則得到平板構(gòu)件按照彈性公式計(jì)算得到的最大應(yīng)力不允許超過(guò)1.5。在選用材料為0Cr18Ni9時(shí)，因?yàn)槠湓诠ぷ鳒囟认?5～45℃的屈服強(qiáng)度為190MPa，所以輻照裝置最大應(yīng)力為280MPa。

首先用化工過(guò)程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6-98進(jìn)行矩形界面殼體計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，如果該輻照裝置單純地使用鋼板焊接而成，在不考慮焊接與制造缺陷的情況下需要使用15.3mm厚的0Cr18aNi9鋼板。因此初步選用了20mm厚0Cr18aNi9加工制造該沉箱式輻照裝置。

1.2 三維模型的建立

輻照裝置模型的建立完全按照?qǐng)D紙1：1建立，選用建模軟件為內(nèi)嵌COSMOSWorks的SolidWorks軟件。

1.3 邊界條件和載荷的加載

該輻照裝置底部位于水下5.8m左右的位置，選擇輻照裝置底部為約束面，在輻照裝置四周以及上板部加載一個(gè)梯形分布的壓強(qiáng)。選擇輻照裝置頂端為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向下為坐標(biāo)軸y軸，壓強(qiáng)隨著y軸的增大（即水深的加?。┒龃螅瑝簭?qiáng)公式為p=39200Pa+9800Pa×y。

1.4 網(wǎng)格的劃分

在所有的分析計(jì)算中均用COSMOSWorks以相同的設(shè)置進(jìn)行有限元前處理。選擇的網(wǎng)格器為標(biāo)準(zhǔn)，取消自動(dòng)過(guò)渡、單元環(huán)數(shù)選擇為3、單元大小因子選為0.8、公差因子為0.8、雅可比檢查菜單設(shè)定為4點(diǎn)。網(wǎng)格的大小均選為40mm。

1.5 結(jié)果的分析與方案的改進(jìn)

利用COSMOSWorks的后處理功能，可以得到一個(gè)HTML或者DOC格式的報(bào)告，根據(jù)這個(gè)報(bào)告，我們可以看到整個(gè)裝置最大應(yīng)力、撓度的大小和具體坐標(biāo)，這個(gè)結(jié)果是在校核過(guò)程中最主要的用到的數(shù)據(jù)。

初始設(shè)計(jì)現(xiàn)命名為方案一，用20mm厚0Cr18Ni9鋼板焊接成一六面體，計(jì)算結(jié)果中可以看出方案一滿足使用要求，在方案一中最大撓度發(fā)生在輻照裝置四周板的中心部位附近，最大應(yīng)力發(fā)生在四個(gè)90°折角邊線中心附近。

雖然方案一滿足我們的使用設(shè)計(jì)要求，但是由于全部由20mm厚0Cr18Ni9鋼板焊接而成，導(dǎo)致光0Cr18Ni9鋼板的材料費(fèi)用就高達(dá)14萬(wàn)元，因此我們需要尋求一個(gè)滿足設(shè)計(jì)使用要求，又能節(jié)省費(fèi)用的最佳設(shè)計(jì)方案。

為了最大化節(jié)省開(kāi)支，決定選用3mm厚0Cr18Ni9鋼板，這是預(yù)留出腐蝕余量后可以選用的最薄的鋼板。為了使其能達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求，對(duì)其危險(xiǎn)部位即四個(gè)側(cè)面分別加入6根間隔為200mm的橫向筋板，定義為方案二，然后對(duì)方案二的三維模型進(jìn)行了相同設(shè)置的有限元分析，分析結(jié)果中可以看出方案二并不滿足我們的設(shè)計(jì)使用要求。在方案二的基礎(chǔ)之上又加入了6根橫向筋板，定義此方案為方案三。重新進(jìn)行有限元計(jì)算，結(jié)果顯示方案三已經(jīng)基本滿足我們的設(shè)計(jì)使用要求，但是其最大應(yīng)力為196MPa，與限制270MPa雖然還有一定的差距，但是在使用溫度為40℃情況下，0Cr18Ni9不銹鋼的屈服強(qiáng)度只有190MPa，在方案三中，雖然整個(gè)輻照裝置箱體整體未失效，但是局部已經(jīng)到達(dá)了屈服極限，存在一定的安全隱患，所以在方案三的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步的進(jìn)行了加強(qiáng)，在輻照裝置內(nèi)外表面應(yīng)力應(yīng)變最大的部位加平板加強(qiáng)，定義為方案四。方案四的有限元分析結(jié)果可以看出，方案四很好的滿足了我們的設(shè)計(jì)使用要求。將四種方案的有限元分析結(jié)果與成本匯總，通過(guò)對(duì)比可以看出，方案四的最大撓度與方案一相差不多，最大應(yīng)力也滿足設(shè)計(jì)使用要求，但是成本卻便宜了一半，因此選擇方案四為最終加工方案。

2 輻照裝置內(nèi)部氣流分析

2.1 模型的建立

因?yàn)?E級(jí)6.6kV籠式三相異步電動(dòng)機(jī)輻照老化方案中廠家對(duì)輻照裝置的氣流和溫度控制提出了很高的要求，所以必須要對(duì)沉箱式輻照裝置中的氣流分配進(jìn)行設(shè)計(jì)檢驗(yàn)。

依次設(shè)置流質(zhì)為空氣，入口位置為下部風(fēng)管，出口位置為上部風(fēng)管，進(jìn)行分析計(jì)算。氣流主要集中在沉箱式輻照裝置的中央，氣體分配不均勻，最終變成中央到中央的直線對(duì)流，這是由于只有中央一個(gè)出口所導(dǎo)致的氣體流道集中，這樣一來(lái)就無(wú)法較好的實(shí)現(xiàn)換氣功能，中央和四周的溫度分布也會(huì)出現(xiàn)不均勻。

3 方案的改進(jìn)

在初步方案的基礎(chǔ)之上，在輻照裝置底部加入一個(gè)氣流分配器，對(duì)空氣流向進(jìn)行分配。

將改進(jìn)后的輻照裝置模型利用流體分析軟件COSMOSFloXpress，可以得到，加入氣體分配器后，空氣在經(jīng)由管路進(jìn)入輻照裝置后，在氣體分配器之下進(jìn)行了合理的分布，然后比較均勻的進(jìn)入之后的空腔，這證明了加入空氣分配器的合理性與正確性，也使得沉箱式輻照裝置能夠更好的實(shí)現(xiàn)用戶的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)三維建模并進(jìn)行有限元分析，對(duì)沉箱式輻照裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，選取了最大應(yīng)力和撓度較小，并且成本小、符合設(shè)計(jì)制造要求的結(jié)構(gòu)。沉箱式輻照裝置首次下水，成功通過(guò)了打壓試驗(yàn)，并且在劑量場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)中多次放入保存水池中，其變形量均符合要求，沒(méi)有出現(xiàn)漏水等不良現(xiàn)象。這么多次的試驗(yàn)證明了沉箱式輻照裝置是符合設(shè)計(jì)輸入要求的。

通過(guò)對(duì)沉箱式輻照裝置內(nèi)部氣流走向與速度進(jìn)行分析，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，使得輻照裝置內(nèi)部氣流分配均勻，能夠很好的滿足用戶要求。

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