新型抗沖擊波閥實驗與數(shù)值分析研究

汪正洪，楊 光，王 飛，宋天濤，徐世林，劉 亞

(1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518172;2.江蘇爵格工業(yè)集團有限公司，江蘇 鹽城 224100)

隨著國家對于清潔能源重視程度的提高，新建核電廠項目也日益增多，在核電廠設(shè)計中如何保證安全是重中之重?？箾_擊波閥主要安裝于建筑新風(fēng)入口及排風(fēng)出口，在正常情況下起到內(nèi)外空氣流通的作用，在爆炸發(fā)生時能夠快速地將沖擊波阻隔在外，保護(hù)人員及設(shè)備的安全[1]。

國內(nèi)對于抗沖擊波閥的研究起步較晚，許多項目的抗沖擊波閥還依賴進(jìn)口，針對于該類閥門的試驗與數(shù)值研究也比較少，公開發(fā)表的文獻(xiàn)也有限。張睿[2]在對Ventex隔爆閥的研究中，分別進(jìn)行了實驗測試和數(shù)值模擬分析，并比較了兩者結(jié)果的差異，對改善閥芯屈曲強度方面提出了新的建議。吳益曉[3]等則針對彈簧式速關(guān)阻爆閥進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了阻爆閥受沖擊關(guān)閉的全響應(yīng)過程，并分析了閥板的運動響應(yīng)要素(如速度、加速度)及強度響應(yīng)要素(應(yīng)力、應(yīng)變)。

與TNT爆炸情況相比，核電廠設(shè)計爆炸荷載的超壓峰值較小，但正壓作用時間很長，本文中抗沖擊波閥的設(shè)計沖擊波壓力為不小于20 kPa，持續(xù)時間不小于300 ms，所以如何保證抗沖擊波閥在設(shè)計載荷下能夠快速關(guān)閉并能抵抗長時間荷載作用，是抗沖擊波閥的設(shè)計要點。另外，能否在實驗中制造出滿足設(shè)計荷載要求的實驗沖擊波，也是整個設(shè)計過程中的難點。本文針對一款新型抗沖擊波閥，采用高壓空氣系統(tǒng)激波管制造不低于設(shè)計荷載的沖擊波，并對樣機進(jìn)行了5組沖擊試驗，考察其關(guān)閉時間、結(jié)構(gòu)變形等響應(yīng)參數(shù)。同時應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行試驗工況的數(shù)值分析，并將數(shù)值分析結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證數(shù)值分析方法的精確性與可行性，為同類抗沖擊波閥的設(shè)計提供了參考。

1 抗沖擊波閥設(shè)計

本文中的抗沖擊波閥應(yīng)用于核電站核島通風(fēng)系統(tǒng)，安裝在進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、排煙口等需要通風(fēng)的墻體洞口上。

平時閥芯處于常開狀態(tài)，保持正常進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)。當(dāng)外界發(fā)生爆炸產(chǎn)生沖擊波時閥門會瞬間關(guān)閉，將沖擊波阻擋在外，保護(hù)室內(nèi)的設(shè)備和人員安全；當(dāng)沖擊波消失后，在彈簧的作用下，閥葉自動復(fù)位恢復(fù)常開狀態(tài)，保持正常通風(fēng)。

抗沖擊波閥三維模型見圖1。

圖1 抗沖擊波閥三維模型Fig.1 The 3D model of shock resistant valve

抗沖擊波閥的結(jié)構(gòu)強度等級參考美國ASTM F2927-12[4]抗爆門等級要求，本文設(shè)計的抗沖擊波閥按照損傷等級類別II要求設(shè)計。

抗沖擊波閥關(guān)閉壓力須保證在正常通風(fēng)情況下或者常見風(fēng)荷載下不能關(guān)閉，在沖擊波荷載作用下瞬間關(guān)閉，本文抗沖擊波閥關(guān)閉壓力為2.5 kPa。

抗沖擊波閥關(guān)閉時間受閥葉關(guān)閉力和閥葉質(zhì)量影響，設(shè)計關(guān)閉時間10 ms。

抗沖擊波閥主要參數(shù)，見表1。

表1 抗沖擊波閥主要參數(shù)Table 1 Main parameters of shock resistant valve

2 抗沖擊波實驗

2.1 實驗內(nèi)容及目的

為保證抗沖擊波閥具備足夠的抗沖擊強度，要求作用于抗沖擊波閥試件上的沖擊波壓力不低于20 kPa并不少于300 ms持續(xù)時間。依照上述要求，共進(jìn)行五組實驗，每組入射超壓及持續(xù)時間均不低于要求值，并記錄實際的閥前峰值壓力與關(guān)閉時間。

2.2 實驗測試系統(tǒng)

抗沖擊波閥的抗爆性能實驗測試系統(tǒng)：即采用高壓空氣系統(tǒng)激波管模擬沖擊波的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由高壓空氣系統(tǒng)、壓力管道、泄壓裝置、壓力傳感器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等組成，詳見圖2。

圖2 實驗測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 The schematic of experimental test system

2.3 數(shù)據(jù)記錄分析系統(tǒng)

(1)動態(tài)信號分析儀：傳輸速率—3.2 MS/s；測試通道—16通道；采樣頻率—1 MHz/ch；分辨率—18 bit。

(2)傳感器：美國PCB公司ICP壓力傳感器102 B。

(3)高速攝像機：英國iX公司i-SPEED713

2.4 實驗方案

激波管由高壓空氣段，泄壓裝置，空氣膨脹段組成，抗沖擊波閥安裝于空氣膨脹段。高壓空氣段中高壓氣體在泄壓裝置開啟時高速沖入空氣膨脹段，形成壓力波。閥前安裝動態(tài)壓力傳感器測量作用于抗沖擊波閥上的沖擊波峰值壓力和時間。測試裝置和閥門及傳感器安裝分別見圖3和圖4。

圖3 測試裝置Fig.3 Testing devices

圖4 傳感器連接Fig.4 Connection of sensors

2.5 實驗結(jié)果

2.5.1 壓力—時間曲線

安裝抗沖擊波閥后，共進(jìn)行5組不同入射超壓值的實驗，各組實驗入射沖擊波超壓、對應(yīng)閥前壓力和作用時間以及關(guān)閉時間見表2。

表2 沖擊波閥實驗測試參數(shù)Table 2 Experimental test parameters of shock wave valve

可以看出，第四組實驗的荷載與設(shè)計荷載20 kPa最為接近，其入射及閥前壓力曲線分別見圖5和圖6。

圖5 入射壓力曲線Fig.5 The curve of incident pressure

圖6 閥前反射壓力曲線Fig.6 The curve of reflection pressure in front of valve

2.5.2 樣機形態(tài)

抗沖擊波閥靜沖擊波荷載作用后，正反面均未發(fā)現(xiàn)任何變形，閥葉能夠正常自由開啟和關(guān)閉，動作流暢無卡殼現(xiàn)象，實驗后閥門見圖7。

圖7 試驗后閥門形態(tài)Fig.7 Shape of valve after test

3 數(shù)值模擬

爆炸工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有時間短、變形大的特點，屬于時域分析的范疇，需要得到不同時刻下構(gòu)件的位置、狀態(tài)及各種力學(xué)參數(shù)。目前通用的方法是應(yīng)用有限元軟件對構(gòu)件建模并采用顯示動力積分方法進(jìn)行加載與計算。

本文應(yīng)用Altair_Hypermesh軟件對抗沖擊波閥建立有限元模型，并應(yīng)用LS-DYNA軟件進(jìn)行抗沖擊波閥在實驗爆炸沖擊波作用下的響應(yīng)計算。

3.1 計算模型

為保證計算結(jié)果的可靠性，有限元計算模型由實驗樣機圖紙原尺寸建立，采用3D實體單元建模，沿厚度方向布置至少兩層網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1～3 mm，模型共包含約18萬個單元，25萬個節(jié)點。

模型中，安裝板與閥體、閥體與閥葉、閥葉與平衡軸、閥體與安裝擋板、安裝擋板與安裝板、壓條與安裝板之間均按實際情況采用CONTACT_AUTOMITAC_FURFACE_TO_SURFACE摩擦接觸設(shè)置連接。彈簧安裝版實際是通過幾根螺釘與閥體固定，模型中忽略螺釘，將實際固定位置處的節(jié)點通過CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE與閥體綁定連接。實驗過程中，為防止閥體滑動，抗沖擊波閥樣機用兩端的安裝擋板進(jìn)行約束，并通過螺栓拉緊。模型中，安裝擋板與閥體之間按照實際情況依然采用CONTACT_AUTOMITAC_FURFACE_TO_SURFACE摩擦接觸設(shè)置連接，在安裝擋板模型實際位置處開孔并設(shè)置1D梁單元依次穿過安裝擋板、閥體、安裝板、壓條，并將梁單元兩端與安裝擋板、壓條設(shè)置MPC連接，施加預(yù)緊力，達(dá)到模擬螺栓壓緊的效果。由于閥葉上下兩面放置同樣規(guī)格的彈簧，兩側(cè)彈簧預(yù)緊力較小且方向相反，可以相互抵消，所以模型中不考慮彈簧預(yù)緊力。

抗沖擊波閥有限元模型示意見圖8。

該抗沖擊波閥構(gòu)件材料分為兩種：平衡軸、彈簧安裝板采用316L不銹鋼；安裝擋板、閥葉、閥體均采用6063鋁合金，螺栓采用8.8級高強螺栓。兩種材料均選用彈塑性動力模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[5]，該材料基于雙線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，能夠較好地考慮材料在達(dá)到屈服極限之后的塑性延伸及強化效應(yīng)?？箾_擊波閥材料參數(shù)如表3所示。

表3 抗沖擊波閥材料參數(shù)[5]Table 3 Material parameters of shock resistant valve

由于抗沖擊波閥受到的反射超壓曲線已由實驗測試得到，所以采用荷載曲線的方式進(jìn)行加載，將樣機閥前壓力時程曲線作為DEFINE_CURVE的荷載輸入，通過SET_SEGMENT選取閥葉及閥體受力面。

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 閥體響應(yīng)過程

抗沖擊波閥測試共分5組，其中第四組實驗的入射超壓為27.7 kPa，與設(shè)計超壓最為接近，其閥前超壓為55.7 kPa，作用時間為1.213 s，所以選取該組超壓時程曲線作為有限元計算的工況荷載。

首先觀察抗沖擊波閥在受到目標(biāo)荷載作用下的響應(yīng)過程，考察閥葉的速度時程曲線以及幾個關(guān)鍵時間點的位置信息，如圖9所示。

圖9 閥葉上不同位置節(jié)點的垂向速度時程曲線Fig.9 Vertical velocity time-history curve of nodes at different positions on the valve blade

閥體響應(yīng)過程如圖10所示，整個響應(yīng)過程可以描述為：在抗沖擊波閥從0 ms時刻開始受到?jīng)_擊波作用之后開始均加速下降，在3.2 ms左右時刻撞擊到閥體下表面，之后有短暫的震蕩，速度隨著時間不斷衰減直至接近于零，10 ms時刻之后閥葉與閥體幾乎無相對運動，閥葉完全貼合在閥體下表面。整個過程可以視為從3.2 ms時刻閥葉即已經(jīng)關(guān)閉，之后能夠穩(wěn)定地完成阻隔沖擊波向閥后泄漏的功能。

實驗中，整個抗沖擊波閥的響應(yīng)過程也基本和模擬過程一致，實驗觀測的關(guān)閉時間為3.0 ms，也與模擬結(jié)果比較接近。

3.2.2 抗沖擊波閥結(jié)構(gòu)強度

前文所述，實驗后對樣機進(jìn)行觀察，結(jié)構(gòu)并無變形，強度能夠滿足要求。本節(jié)考察抗沖擊波閥有限元模型閥葉及閥體的等效應(yīng)力及塑性應(yīng)變結(jié)果。抗沖擊波閥的最大等效應(yīng)力發(fā)生在碰撞的瞬間，如圖11所示，而塑性應(yīng)變屬于累積結(jié)果，直接觀察系統(tǒng)穩(wěn)定后的數(shù)值即可，如圖13。閥體、閥葉及平衡軸單元等效應(yīng)力時程曲線如圖12所示。

從應(yīng)力云圖和時程曲線中可以看出，在閥葉關(guān)閉瞬間，由于高速沖擊而產(chǎn)生了高應(yīng)力，而最大值小于材料的屈服強度，隨著震蕩不斷衰減，應(yīng)力值也迅速減小直至穩(wěn)定值。該過程也和抗沖擊波閥的響應(yīng)過程吻合，撞擊時產(chǎn)生高應(yīng)力峰值，當(dāng)閥葉穩(wěn)定關(guān)閉時應(yīng)力趨于平衡值。

而從塑性應(yīng)變云圖中可以看出由于碰撞產(chǎn)生的高應(yīng)力并沒有超過材料屈服強度，所以并無單元發(fā)生塑性應(yīng)變，且隨著震蕩過程不斷衰減，預(yù)計在剩余作用時間里也不會有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。

所以，該模型計算結(jié)果同樣符合“正反面均未發(fā)現(xiàn)任何變形，閥葉能夠正常自由開啟和關(guān)閉”的實驗觀察結(jié)論。

圖10 閥體響應(yīng)過程Fig.10 The response process of the valve body

圖11 抗沖擊波閥等效應(yīng)力云圖(3.2 ms時刻)Fig.11 The equivalent stress cloud diagram of shock resistant valve (3.2 ms)

圖12 閥體、閥葉及平衡軸單元等效應(yīng)力時程曲線Fig.12 The equivalent stress time-history curve of the valve body,valve blade and balance shaft unit

圖13 抗沖擊波閥等效塑性應(yīng)變云圖(20 ms時刻)Fig.13 The equivalent plastic strain cloud diagram of shock resistant valve (20 ms)

4 結(jié)論

本文通過對一新型抗沖擊波閥的實驗研究與數(shù)值計算，一方面驗證了其基本功能及強度指標(biāo)，一方面檢驗現(xiàn)有計算方法的可行性與準(zhǔn)確性。對比實驗與數(shù)值計算的結(jié)果，得到結(jié)論如下：

1)實驗中，在5組不同超壓及持續(xù)時間的沖擊波作用下，抗沖擊波閥樣機正反面均未發(fā)現(xiàn)任何變形，閥葉能夠正常自由開啟和關(guān)閉。

2)選取5組實驗測試結(jié)果中最危險的沖擊波作為數(shù)值計算的目標(biāo)工況，在該工況下，試驗樣機模型關(guān)閉時間和實驗測試值接近，并且整個響應(yīng)過程與實驗觀測過程一致。

3)在相同工況下，試驗樣機模型的數(shù)值計算結(jié)果表明，該樣機抗沖擊強度良好，在沖擊波作用下產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?yōu)榱?，和實驗觀測狀態(tài)一致，說明該數(shù)值分析方法與實驗貼合度較好，精確度較高，可以作為該類抗沖擊波閥設(shè)計時的合理途徑。