核儀表用單卡套管接頭建模仿真分析

邵明坤,江浪,薛歡歡

(中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)*

自從電能被商業(yè)化應(yīng)用以來(lái)，極大推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)文明的迅猛發(fā)展，而電連接技術(shù)也已被廣泛應(yīng)用至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域.不同于一般工業(yè)領(lǐng)域，在一些工況環(huán)境嚴(yán)酷的領(lǐng)域，如核電領(lǐng)域?qū)B接技術(shù)提出了更高的要求，要求連接器應(yīng)具有優(yōu)良的密封性能，可以長(zhǎng)期耐受惡劣環(huán)境如高溫、輻照、過(guò)熱水蒸汽、腐蝕溶液等的侵蝕[1].在核電廠核島安全殼內(nèi)部，傳統(tǒng)連接器采用橡膠作為關(guān)鍵密封材料，由于橡膠受到環(huán)境中光、熱、輻照等因素影響會(huì)發(fā)生降解、交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致壓縮永久變形率、應(yīng)力松弛等性能隨時(shí)間逐步下降[2-6]，最終喪失彈性無(wú)法回彈引起連接器密封失效，進(jìn)而發(fā)生電氣故障.相對(duì)于橡膠密封，金屬密封技術(shù)具有優(yōu)良的耐候性、長(zhǎng)壽命、高可靠等優(yōu)勢(shì)，因此采用金屬密封的電連接器將推動(dòng)電連接技術(shù)在尖端、嚴(yán)酷領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展.

相比于一般的金屬密封方式如金屬密封圈、金屬平墊片、金屬透鏡墊等，卡套管接頭具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)巧妙、制造精密等優(yōu)點(diǎn)，在核電、石油、天然氣和化工等領(lǐng)域被大量用于儀器、儀表、管道控制系統(tǒng)中.卡套的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了單刃口、雙刃口、無(wú)刃口等多種形式的迭代更新.單卡套與管子外壁之間通過(guò)擠壓作用形成一道精密金屬密封，為達(dá)到可靠的金屬密封，要求單卡套具有合理的幾何結(jié)構(gòu)、加工精度，合適的管子壁厚，以及材料適中的硬度、彈性模量.一般單卡套管接頭由接頭本體、卡套、螺母三部分組成，各零件所用材料與管子采用同一材質(zhì)[7].與雙卡套管接頭相比，單卡套管接頭將雙卡套管的前卡套和后卡套用一個(gè)卡套零件代替，減少了一個(gè)零件，降低了卡套管接頭的設(shè)計(jì)、制造成本，且安裝、拆卸更加容易[8-10].

1 單卡套結(jié)構(gòu)和密封原理

單卡套管接頭采用無(wú)刃口結(jié)構(gòu)，有效地防止卡套切傷管子外壁，與一次性密封的刃口式卡套相比這種單卡套管接頭可多次拆卸使用.機(jī)械結(jié)構(gòu)由單卡套、接頭本體和螺母組成，如圖1所示.通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與管子形成可靠的金屬密封.

圖1 單卡套管接頭結(jié)構(gòu)組成

單卡套管接頭的安裝密封原理如圖2所示.依次將管子穿入螺母、單卡套、接頭本體，其中螺母與接頭本體間通過(guò)螺紋連接，螺紋表面噴涂二硫化鉬等干摩擦潤(rùn)滑劑，管子前端與接頭本體臺(tái)階進(jìn)行限位.通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母對(duì)單卡套尾部施加軸向載荷，接頭本體錐面與單卡套前端接觸，阻礙卡套前進(jìn).持續(xù)旋緊螺母，單卡套將發(fā)生“弓形”變形，卡套前端向前、向下，卡套外側(cè)與接頭本體圓錐面緊密貼合，內(nèi)側(cè)不斷擠壓管壁，迫使管子發(fā)生塑性變形.卡套裝配后，由于單卡套的“弓形”變形和合理的幾何形狀設(shè)計(jì)，具有一定自鎖效應(yīng)，可有效地防止螺母松動(dòng).

圖2 單卡套管接頭密封原理

2 單卡套管接頭建模分析

單卡套管接頭在裝配過(guò)程中零件之間相互接觸擠壓變形而形成密封界面，涉及三種非線性：大變形引起的材料非線性、幾何非線性以及接觸界面的非線性，利用有限元分析數(shù)值方法可有效對(duì)上述接觸問(wèn)題進(jìn)行仿真分析[11].下面利用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)單卡套進(jìn)行建模，并通過(guò)自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化劃分，在物理解變動(dòng)較大的區(qū)域網(wǎng)格自動(dòng)密集，而在物理解變化平緩區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)稀疏，做到網(wǎng)格點(diǎn)分布與物理解的耦合，從而提高解的精度和分辨率.

2.1 模型建立

在確保運(yùn)算精度的前提下，可對(duì)單卡套管接頭模型進(jìn)行合理、有效簡(jiǎn)化，以提高仿真運(yùn)算速度.由于單卡套管接頭除外輪廓幾何形狀外，其余全部為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可利用ABAQUS自帶的軸對(duì)稱模型進(jìn)行建模，將三維單卡套管接頭模型簡(jiǎn)化為二維模型.具體的簡(jiǎn)化原則如下：

(1)采用二維軸對(duì)稱模型，將三維實(shí)體模型簡(jiǎn)化為二維平面模型；

(2)簡(jiǎn)化與密封界面無(wú)關(guān)的外形結(jié)構(gòu)，如倒角、六方等；

(3)簡(jiǎn)化載荷施加方式，將螺紋旋緊載荷簡(jiǎn)化為軸向位移載荷.

在Part模塊中建立單卡套管接頭各零件的二維軸對(duì)稱模型，并在Assembly模塊中完成組件裝配.

2.2 材料屬性

單卡套管接頭和管子材質(zhì)均選用綜合性能較好的316L不銹鋼合金.316L不僅力學(xué)性能優(yōu)異，且具有優(yōu)秀的耐腐蝕性、耐高溫、抗蠕變性能.在Property模塊中創(chuàng)建316L材料屬性，彈性模量：210GPa，泊松比：0.3，屈服應(yīng)力：205 MPa，抗拉強(qiáng)度：515 MPa.316塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線如下圖3所示.

圖3 316L塑性階段應(yīng)力、應(yīng)變曲線

2.3 自適應(yīng)網(wǎng)格劃分

自由網(wǎng)格劃分技術(shù)是最靈活的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一，幾乎適用于任何形狀的網(wǎng)格劃分，常用于劃分幾何形態(tài)高度非線性的復(fù)雜模型網(wǎng)格.但自由網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量、精度要求較高，網(wǎng)格種子分布較為密集，占用計(jì)算資源較大.而適應(yīng)網(wǎng)格劃分則是在自由網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，在一個(gè)接近或一致的誤差指標(biāo)下，對(duì)于特定的模型和伴隨的載荷歷史變化，在運(yùn)算過(guò)程中，按照一定的規(guī)則對(duì)網(wǎng)格自動(dòng)進(jìn)行二次劃分.自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)可大大將定模型的計(jì)算量，提高模型計(jì)算的精確度[12].

在Mesh模塊中采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的單卡套管接頭劃分網(wǎng)格，全局網(wǎng)格種子大小設(shè)定為0.5.設(shè)置網(wǎng)格控制規(guī)則，采用單元能量密度作為控制網(wǎng)格重劃分指標(biāo)，自動(dòng)控制誤差目標(biāo)，劃分后的最大、最小單元網(wǎng)格大小自動(dòng)計(jì)算，最大為7.5，最小為0.001 8.對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的鋼管，則采用自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分，全局網(wǎng)格種子大小設(shè)定為0.1.網(wǎng)格劃分參數(shù)如表1所示.

表1 單卡套管接頭網(wǎng)格劃分情況

初次劃分后的單卡套管接頭網(wǎng)格模型如圖4所示.

圖4 單卡套管接頭初次網(wǎng)格劃分

2.4 建立分析步、載荷及接觸條件

為便于仿真分析收斂和研究單卡套管接頭自鎖現(xiàn)象，此處共設(shè)置以下3個(gè)通用靜態(tài)分析步：

(1)第1分析步：對(duì)接頭本體和管壁左端施加全約束，螺母除y方向軸向位移外其余全約束.對(duì)螺母施加一個(gè)較小的位移載荷，0.1 mm.使卡套與接頭本體和螺母充分發(fā)生接觸，接觸分析將更加容易收斂；

(2)第2分析步：對(duì)接頭本體和管壁左端施加全約束，螺母除y方向軸向位移外其余全約束.在卡套管各零件充分接觸后，對(duì)螺母施加全部軸向位移載荷，1.25 mm，使卡套安裝到位；

(3)第3分析步：對(duì)接頭本體和管壁左端施加全約束，螺母除y方向軸向位移外其余全約束.釋放螺母軸向位移載荷，以模擬安裝后單卡套管接頭的自由狀態(tài)，研究其自鎖現(xiàn)象.

對(duì)單卡套管接頭所有零件之間相互接觸的表面上設(shè)置接觸特性，接觸屬性為硬接觸，鋼與鋼之間靜摩擦系數(shù)取0.15[13].

2.5 提交運(yùn)算及后處理結(jié)果

在Job模塊中創(chuàng)建自適應(yīng)分析過(guò)程，并提交運(yùn)算.Abaqus將在后臺(tái)中將對(duì)模型進(jìn)行3次重復(fù)運(yùn)算，根據(jù)自適應(yīng)網(wǎng)格調(diào)整規(guī)則逐次對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化、細(xì)分.單卡套應(yīng)力仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 單卡套管接頭von Mises應(yīng)力云圖

圖5為單卡套管接頭應(yīng)力云圖的三次運(yùn)算結(jié)果，可以看出采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，經(jīng)過(guò)三次運(yùn)算，網(wǎng)格劃分更趨合理、精細(xì)，尤其是接觸區(qū)域附近的網(wǎng)格明顯進(jìn)行了優(yōu)化處理，比圖4初次劃分的網(wǎng)格質(zhì)量更優(yōu)，von Mises應(yīng)力云圖結(jié)果也更為準(zhǔn)確.從圖5(c)第3次運(yùn)算結(jié)果中可以看出單卡套前端與管子接觸表面發(fā)生明顯變形，其中單卡套最大應(yīng)力為429 MPa，超過(guò)材料的屈服應(yīng)力204MPa，將發(fā)生塑性變形.

研究單卡套管接頭軸向運(yùn)動(dòng)情況，提取Y方向位移如圖6所示.從圖6(a)、圖6(b)中可以看出，卡套在螺母的作用下分別前進(jìn)0.1 mm、1.25mm.在第2分析步中，卡套沿Y方向不斷運(yùn)動(dòng)，前端逐步嵌入接頭本體和管子夾縫中，進(jìn)而箍緊管壁，迫使管子發(fā)生塑性變形，形成一道密封.與此同時(shí)卡套管在前后的作用力下發(fā)生“弓形”變形，卡套與接頭本體圓錐面緊密貼合，從而形成第二道密封.在第3分析步中，釋放螺母位移載荷，卡套后端將無(wú)任何載荷約束.此時(shí)，螺母位移為1.236mm，相比于第2分析步末，螺母后退了0.014 mm位移.單卡套的這種鉸鏈作用將會(huì)持續(xù)對(duì)螺母施加作用力，防止螺母松動(dòng)，確保單卡套管接頭即便在各種振動(dòng)場(chǎng)合中也可保證有效密封.

圖6 單卡套管接頭軸向位移云圖

單卡套管接頭主要特性是實(shí)現(xiàn)密封功能，為此提取第2分析步和第3分析步的接觸壓強(qiáng)仿真結(jié)果，如圖7所示，以觀察卡套密封面的密封效果.

圖7 單卡套管接頭接觸壓強(qiáng)云圖

圖7中單卡套區(qū)域表面的接觸壓強(qiáng)在5MPa以上，說(shuō)明該區(qū)域至少可以密封5MPa的壓力.相比于第2分析步，第3分析步末最大接觸壓強(qiáng)有所降低，這是由于螺母位移載荷完全釋放，單卡套彈性變形略有回復(fù)造成的.第3分析步末密封區(qū)域基本與第2分析步相當(dāng)，說(shuō)明即便在單卡套管接頭裝配后，螺母不再給卡套主動(dòng)施加載荷，卡套依然具有良好的密封效果.

3 結(jié)論

通過(guò)上述仿真研究分析，得出以下結(jié)論:

(1)核儀表用單卡套管接頭除具有耐腐蝕、耐溫、長(zhǎng)壽命、易安裝等特點(diǎn)外，還具有優(yōu)良的抗振性、耐沖擊和良好的金屬密封性能，適用于核反應(yīng)堆安全殼內(nèi)部這種極端嚴(yán)酷工況環(huán)境的密封；

(2)通過(guò)對(duì)單卡套管接頭進(jìn)行仿真分析，模擬了核儀表管接頭完整的裝配過(guò)程中的位移、應(yīng)力和接觸壓強(qiáng)變化情況.螺母擰緊時(shí)，單卡套前后的作用力下發(fā)生“弓形”變形，最大應(yīng)力為429 MPa；在卸去螺母后，螺母后退了0.014 mm，單卡套表面接觸壓強(qiáng)云圖略有變化，大部分區(qū)域在5MPa以上，說(shuō)明單卡套具有鉸鏈作用將會(huì)持續(xù)對(duì)螺母施加作用力，防止螺母松動(dòng)，確保單卡套管接頭即便在各種振動(dòng)場(chǎng)合中也可保證有效密封.