400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具可靠性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

林瑞進(jìn)，汪自祥，陳　楠，章宇慶

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州310052）

0　前言

核電轉(zhuǎn)子作為核電發(fā)電機(jī)組中核心部件，因其自身重量與體積非常大，一般采用分段焊接組成。雖然焊接轉(zhuǎn)子具有設(shè)計(jì)靈活、剛性好等優(yōu)點(diǎn)，但其制造技術(shù)要求也高。轉(zhuǎn)子焊接成型后一般都需要對(duì)其整體進(jìn)行焊后退應(yīng)力處理，這就需要一套起吊工具以保證在其焊接、熱處理等運(yùn)輸過程中絕對(duì)安全可靠。根據(jù)JBT5253.2《汽輪機(jī)隨機(jī)專用工具技術(shù)條件轉(zhuǎn)子起吊工具》規(guī)定，轉(zhuǎn)子起吊工具要求包含工作橫梁、吊架、吊塊、鋼絲繩等基本部件。但熱處理后深井爐溫度依然較高，無法通過鋼絲繩來實(shí)現(xiàn)起吊轉(zhuǎn)子，必須為其設(shè)計(jì)專用起吊吊具[1]。文中介紹了400T核電焊接轉(zhuǎn)子整體起吊翻身裝置[2]，可實(shí)現(xiàn)400T核電焊接轉(zhuǎn)子的自動(dòng)抓取、翻轉(zhuǎn)功能，解決了焊接轉(zhuǎn)子在焊接、熱處理及加工帶來諸多不方便問題。

起吊架、翻轉(zhuǎn)盤及棘爪作為400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具的重要結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)可靠性直接影響著吊具的承載能力和安全性，在起吊過程中起到了關(guān)鍵作用。400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)公式確定結(jié)構(gòu)主要尺寸，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀對(duì)其進(jìn)行簡化，并按照彈性曲梁理論進(jìn)行驗(yàn)算，該方法對(duì)設(shè)計(jì)模型簡化要求較高，模型簡化不當(dāng)有可能導(dǎo)致危險(xiǎn)截面被忽略，且由于簡化不明確，容易導(dǎo)致計(jì)算繁瑣。此外，采用這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，雖已知吊具使用工況和負(fù)載，但很難對(duì)其在設(shè)計(jì)階段就可全面了解吊具在工作過程中各部件的性能是否滿足使用要求及安全可靠性。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，有限元分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中起到了重要作用，利用有限元分析軟件以吊具進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，在完成實(shí)體建模后加載實(shí)際工況進(jìn)行有限元模擬分析，對(duì)吊具各部件應(yīng)力分布和形變情況作定性認(rèn)識(shí)，為吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)有效降低產(chǎn)品成本[3-5]。

本文采用有限元分析軟件，對(duì)400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具重要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行有限元分析建模，并賦予其物理特性，在外界負(fù)載作用下計(jì)算出各部件每一點(diǎn)的應(yīng)力大小，校核各部件是否滿足可靠性要求，同時(shí)對(duì)吊具提出優(yōu)化設(shè)計(jì)，這不僅保證了吊具在使用過程中的安全可靠性，同時(shí)也為吊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[6]。

1　起吊架有限元模型及分析

1.1　起吊架結(jié)構(gòu)模型

起吊架通過電動(dòng)插銷機(jī)構(gòu)連接著行車上W型吊鉤與翻轉(zhuǎn)盤，起吊架工作過程中可簡化為2只吊點(diǎn)，載荷均勻分布，屬對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。起吊架整體采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（Q345-A）焊接而成，兩側(cè)面板作為起吊架至關(guān)重要的零件，采用整體加工制作而成，厚度δ50 mm.起吊架在工作過程中始終處于豎直狀態(tài)，承受400T載荷時(shí)為最不利工況。

圖1　起吊架物理模型

起吊架在有限元分析過程中，主要考慮其自身的強(qiáng)度。通過對(duì)起吊架初步分析可知，其在軸承處的邊界條件對(duì)起吊架的應(yīng)力分布有較大影響。為了減少這種影響，需建立軸的有限元模型，軸和軸承之間采用接觸方式進(jìn)行連接，以減小此處邊界條件對(duì)起吊架應(yīng)力分布的影響；同時(shí)考慮到起吊架是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，僅對(duì)起吊架的一部分進(jìn)行建模分析。整個(gè)模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共有8.2萬個(gè)單元，10.6萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。具體模型如圖2所示，材料特性見表1.

圖2　起吊架有限元模型

表1　起吊架材料特性

1.2　邊界條件

應(yīng)用ANSYS有限元分析，施加載荷和邊界條件時(shí)考慮起吊架最不利工況，即起吊架承受400T時(shí)為最不利工況，具體邊界條件見圖3.

圖3　起吊架邊界條件

1.3　計(jì)算結(jié)果與分析

通過對(duì)模型的有限元分析，可計(jì)算得到起吊架的應(yīng)力分布圖，具體見圖4.

圖4　起吊架總體應(yīng)力分布

1.4　結(jié)論

通過上述起吊架的有限元模型分析，除起吊孔、軸承及拐角處，起吊架其它部位的應(yīng)力都處于較低水平。起吊孔最大應(yīng)力為166 MPa，拐角處為125 MPa，雖應(yīng)力較大，但應(yīng)力梯度很大，高應(yīng)力區(qū)范圍小，且與材料屈服極限295 MPa相比具有較大的余量；從理論分析得出，起吊架是安全可靠[7-8]。但起吊架作為400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具的重要部件，工作過程中需承受400T的載荷，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡力提高其安全可靠性。

1.5　優(yōu)化設(shè)計(jì)

起吊架最大應(yīng)力出現(xiàn)在起吊孔及拐角處，為了降低最大應(yīng)力，可通過增加兩側(cè)面板的厚度，及增加加強(qiáng)筋板或者采用屈服強(qiáng)度更高的材料等方法。本文對(duì)起吊架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要為兩側(cè)面板厚度δ50 mm增加為δ70 mm，同時(shí)優(yōu)化兩側(cè)面板內(nèi)加強(qiáng)筋板的位置，具體見圖5所示。

圖5　起吊架優(yōu)化后物理模型

通過對(duì)上述優(yōu)化后的起吊架模型重新進(jìn)行有限元分析，可計(jì)算得到起吊架的應(yīng)力及相應(yīng)位置，具體見圖6～圖8所示。

圖6　總體應(yīng)力分布

圖7　內(nèi)部應(yīng)力分布圖

圖8　位移分布圖

從上述表2的起吊架前后設(shè)計(jì)結(jié)果的比較可知，起吊架整體材料約增加2T，安全余量提高了25%.

表2　起吊架前后設(shè)計(jì)比較

吊具作為核電焊接轉(zhuǎn)子，尤其作為400T核電焊接轉(zhuǎn)子專用吊具，其安全可靠性不僅關(guān)系到吊具的承載能力，甚至關(guān)系到核電焊接轉(zhuǎn)子的壽命及起吊過程的安全可靠性。從工程角度出發(fā)，通過增加部分材料，即以較低成本來提高產(chǎn)品安全可靠性具有重要意義[9-10]。

2　翻轉(zhuǎn)盤和棘爪有限元模型及分析

2.1　翻轉(zhuǎn)盤和棘爪結(jié)構(gòu)模型

通過對(duì)翻轉(zhuǎn)盤初步的有限元計(jì)算分析可知，在棘爪抓取400T核電焊接轉(zhuǎn)子起吊過程中，棘爪縮緊最小距離為940 mm時(shí)翻轉(zhuǎn)盤處于最不利工況。為提高計(jì)算精度，減少因模型簡化而帶來的誤差，對(duì)軸、翻轉(zhuǎn)盤、棘爪同時(shí)進(jìn)行建模；同時(shí)考慮到翻轉(zhuǎn)盤的受力及模型具有對(duì)稱性，為減少計(jì)算量，僅對(duì)1/2模型進(jìn)行有限元分析。

軸、翻轉(zhuǎn)盤和棘爪的1/2物理模型如下圖9，有限元模型如圖10，整個(gè)模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共有14.15萬個(gè)單元，17.3萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，材料特性見表3.

圖9　翻轉(zhuǎn)盤和棘爪物理模型

圖10　翻轉(zhuǎn)盤和棘爪有限元模型

表3　翻轉(zhuǎn)盤和棘爪材料特性

2.2　邊界條件

當(dāng)棘爪之間的距離為940 mm，承受400 T重力時(shí)為最不利工況，此時(shí)邊界條件見圖11，其中軸與翻轉(zhuǎn)盤之間、棘爪與翻轉(zhuǎn)盤之間使用接觸條件。

圖11　翻轉(zhuǎn)盤和棘爪邊界條件

2.3　計(jì)算結(jié)果與分析

通過有限元分析，可計(jì)算得到翻轉(zhuǎn)盤、棘爪的應(yīng)力分布及相應(yīng)的位移。具體見圖12～圖14.

圖12　翻轉(zhuǎn)盤總體位移分布

圖13　翻轉(zhuǎn)盤應(yīng)力分布

圖14　棘爪應(yīng)力分布

2.4　結(jié)論

通過上述翻轉(zhuǎn)盤和棘爪有限元模型分析，翻轉(zhuǎn)盤在最不利工況時(shí)的總體應(yīng)力水平較低，翻轉(zhuǎn)盤在軸承處的應(yīng)力為88.5 MPa，最大應(yīng)力為190.2 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度295 MPa，且從最大應(yīng)力處的應(yīng)力分布看，除局部位置的應(yīng)力處于較高水平，其余部分的應(yīng)力水平較低，有較大的安全余度；從棘爪應(yīng)力分布可以看出，棘爪的平均應(yīng)力約為38 MPa，最大應(yīng)力為124 MPa，從應(yīng)力部分還可以看出，棘爪最大應(yīng)力分布的區(qū)域很小，棘爪有很大的安全余量。綜上分析，翻轉(zhuǎn)盤和棘爪的設(shè)計(jì)是安全可靠的。

3　結(jié)束語

綜上所述，利用有限元分析方法，對(duì)400T核電焊接轉(zhuǎn)子起吊吊具各重要部件的受力情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，并按照有限元分析結(jié)果對(duì)起吊吊具的安全性做出判斷，有效保證了產(chǎn)品的安全可靠性。該設(shè)備于2015年投入順利投入使用，至今未出現(xiàn)故障。如圖15所示。

圖15　實(shí)例