基于有限元法的除氧器壓力調(diào)節(jié)閥抗沖擊性能分析

閆玉曦，李 仲，李曉強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201317)

隨著海軍對艦艇抗沖擊性能的日益重視，艦艇設(shè)計(jì)中必應(yīng)考慮除了靜載荷和動載荷外的另一種載荷，即沖擊載荷。大量的實(shí)戰(zhàn)戰(zhàn)例和試驗(yàn)情況表明，水下近距離的爆炸對船舶造成沖擊后，通常很難使船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口，然而其沖擊作用遍及整船，可能會造成內(nèi)部許多管路系統(tǒng)和設(shè)備的破壞[1-2]。因此，水下非接觸爆炸引起的沖擊對于艦船設(shè)備具有更大的威脅[3]。

艦艇管路系統(tǒng)對沖擊載荷的作用十分敏感，遭受沖擊載荷后會引起管路系統(tǒng)變形過大或局部應(yīng)力過大造成損壞。閥門作為管路系統(tǒng)的主要設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)尺寸大，重心分布高，更容易受到?jīng)_擊載荷的影響，造成失效[4-5]。

本文分析的除氧器壓力調(diào)節(jié)閥作為控制除氧器內(nèi)部壓力的關(guān)鍵設(shè)備，其調(diào)節(jié)精度要求較高，因此采用直通式截止閥形式閥體和套筒式節(jié)流內(nèi)件。該閥門能夠精確調(diào)節(jié)補(bǔ)充到除氧器中的加熱蒸汽量，從而實(shí)現(xiàn)控制除氧器內(nèi)部壓力的功能。

本文采用時(shí)域分析法對除氧器壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行抗沖擊性能分析[6-9]，以考察該設(shè)備在沖擊載荷作用下的安全性，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

1 抗沖擊理論計(jì)算

調(diào)節(jié)閥本體及執(zhí)行機(jī)構(gòu)其抗沖擊指標(biāo)值參照GJB 1060.1—1991《艦船環(huán)境條件要求 機(jī)械環(huán)境》中5.7.2.1進(jìn)行設(shè)計(jì)選?。辉诓豢紤]隔振裝置(單級、雙級、浮筏等)時(shí)滿足規(guī)定的沖擊環(huán)境，對應(yīng)的沖擊加速度設(shè)計(jì)值A(chǔ)a和速度設(shè)計(jì)值Va見表1。

表1 設(shè)備的沖擊設(shè)計(jì)值

表1中相關(guān)參數(shù)可根據(jù)GJB 1060.1—1991中5.7.2.1的規(guī)定按如下公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中，ma是系統(tǒng)設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量，單位為t。

沖擊設(shè)計(jì)加速度Vaωa取與Aa中的小值為動力學(xué)分析系統(tǒng)在給定方向上的沖擊設(shè)計(jì)加速度，其中，ωa是模態(tài)質(zhì)量ma所對應(yīng)的振動模態(tài)圓頻率，單位為rad/s。

沖擊后不允許產(chǎn)生永久變形或允許有微小永久變形的設(shè)備或基座應(yīng)選用彈性設(shè)計(jì)，對變形要求嚴(yán)格的零部件應(yīng)選用彈性設(shè)計(jì)計(jì)算變形量，設(shè)備的固定件為定位件，均應(yīng)選用彈性設(shè)計(jì)確定其沖擊載荷，設(shè)備抗沖擊計(jì)算基本要求見表2。

表2 設(shè)備抗沖擊計(jì)算基本要求

2 除氧器壓力調(diào)節(jié)閥抗沖擊分析

2.1 網(wǎng)格劃分

除氧器壓力調(diào)節(jié)閥采用直通型截止閥形式閥體結(jié)構(gòu)，主要由閥門本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等聯(lián)合附件組成，其中閥門本體主要由閥體、閥座、閥蓋、連接件和閥桿等組成。對模型進(jìn)行簡化處理，去除結(jié)構(gòu)內(nèi)較小的圓角、倒角。采用綁定約束模擬閥蓋與閥體之間、執(zhí)行器與支架之間、支架與閥蓋之間的連接關(guān)系。采用全局自動接觸算法模擬部件之間在沖擊中可能發(fā)生的接觸，全部采用三維實(shí)體單元?jiǎng)澐钟?jì)算網(wǎng)格[10]。除氧器壓力調(diào)節(jié)閥有限元模型如圖1所示。

圖1 除氧器壓力調(diào)節(jié)閥有限元模型

除氧器壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵零部件有限元模型如圖2所示。

2.2 約束條件和邊界條件

沖擊載荷以加速度邊界條件的形式加載在閥體兩側(cè)法蘭位置，邊界條件施加位置如圖3所示。

a) 閥體

b) 套筒

c) 閥蓋

d) 閥芯

e) 閥桿

f) 支架

圖3 邊界條件施加位置

2.3 材料屬性

除氧器壓力調(diào)節(jié)閥主要部件的材料屬性見表3。

表3 閥門主要部件材料屬性

2.4 沖擊載荷與校核算法

根據(jù)GJB 1060.1—1991《艦船環(huán)境條件要求 機(jī)械環(huán)境》規(guī)定的基礎(chǔ)沖擊輸入，除氧器壓力調(diào)節(jié)閥屬于水面艦船船體安裝部位的設(shè)備，要求進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)。設(shè)備總重約為3.39 t(ma)，按式1和式2確定的沖擊設(shè)計(jì)值(見表4)。沖擊方向相對船體而言，縱向?yàn)榇L度方向，垂向?yàn)榇叨确较颍瑱M向?yàn)榇瑢挾确较颉?/p>

表4 沖擊速度和加速度設(shè)計(jì)值

分析的設(shè)備包含復(fù)雜的接觸關(guān)系和豐富的材料非線性，因此選擇時(shí)域分析法，采用半正弦加速度沖擊輸入，波形面積應(yīng)與表4中沖擊速度設(shè)計(jì)值Va相等。選定沖擊脈寬為4 ms，加速度峰值由式3計(jì)算得到。

(3)

除氧器壓力調(diào)節(jié)閥的加速度沖擊輸入?yún)?shù)見表5。

表5 除氧器壓力調(diào)節(jié)閥加速度沖擊載荷參數(shù)

載荷加載歷程曲線如圖4所示。

圖4 加速度沖擊波形

應(yīng)用通用有限元分析軟件Abaqus/Explicit對除氧器壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行加速度沖擊的顯式動力學(xué)計(jì)算。

3 結(jié)果分析

除氧器壓力調(diào)節(jié)閥在各向沖擊下應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域見表6。

表6 除氧器壓力調(diào)節(jié)閥沖擊應(yīng)力響應(yīng) (MPa)

應(yīng)力云圖如圖5所示。

分析結(jié)果表明：除氧器壓力調(diào)節(jié)閥在承受縱向沖擊脈沖(X方向)、垂向沖擊脈沖(Y方向)、橫向沖擊脈沖(Z方向)時(shí)，垂向沖擊引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化最明顯，表面垂向沖擊最危險(xiǎn)，但在3個(gè)方向施加沖擊載荷后，結(jié)構(gòu)均未發(fā)生屈服或永久變形，表面整體結(jié)構(gòu)抗沖擊性能符合要求。本文通過理論計(jì)算和有限元分析驗(yàn)證相結(jié)合的方法對調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗沖擊性能研究，仿真結(jié)果與理論計(jì)算作對比驗(yàn)證了所得數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步研究閥門使用壽命奠定了基礎(chǔ)。