计算机模拟分析核级阀门的抗疲劳性能

发布时间:2011-06-15  点击数:2756

    长期以来,核级阀门产品的疲劳可靠性一直为人们关注的焦点。每年因结构疲劳失效,大量产品在其有效寿命期内报废,由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现,因此许多调节阀生产企业将耐久性定为产品质量控制的重要指标之一。ASME法规第Ⅲ卷和第Ⅷ卷的第2部分也对疲劳分析做出了详细的规定。本文使用AWEFatigue软件,结合ASME法规第Ⅲ卷的要求,以核级止回阀阀体为例进行了详细的疲劳分析计算,同时提供了使用有限元方法对核级阀门进行疲劳分析的设计计算方法。计算中采用了简化的弹塑性假设和Miner疲劳累积损伤准则。

一、分析

    在传统的设计过程中,阀门产品的疲劳寿命通常通过实验样机的耐久性试验得到,不但耗资巨大,而且许多与失效相关的参数也不可能在试验中得出,实验结论也受许多偶然因素的影响。近年来,随着计算机技术发展而诞生的现代设计技术,可以使企业以较低的成本设计出高耐久性产品成为可能。例如,在产品设计阶段采用ANSYSWorkbench软件的Fatigue插件(以下简称AWEFatigue),可在实验样机制造之前对阀门产品进行疲劳分析和优化设计,预测产品的寿命,实现产品等寿命周期设计。

二、性能

    核级止回阀(图1)参数如下。

    安全级别 核一级
    公称通径 2in.(50mm)
    压力等级 Class1500
    工作温度 <150℃
    使用寿命 >2000次
    阀体材料 SA182-F321H

三、建模

    1、导入几何模型

    启动AWE/Simulation。选择特定工具条内的Geometry/FromFile选项。导入DesignModeler或其他三维软件创建的几何模型“body.3”。为节约计算机资源及缩短计算时间,选取阀体的一半作为研究对象(图2)。

图1 核一级止回阀模型

图2 阀体模型

    2、添加材料信息

    在model/Geomrtry/body中,为材料赋予材料属性。在definition/material/Structrual steel中,选择New Material选项,打开Engineering Data对话框,输入阀体材料的弹性模量、泊松比、S-N疲劳曲线等参数。特别强调,必须输入“Alternating Stress”曲线,否则在疲劳分析中会报错“missing stress life curve”。

    3、网格化分

    在model/mesh中,确定网格尺寸。激活“Sizing”命令,在属性菜单中,选择整个阀体,指定网格尺寸为4mm。激活“refinement”命令,选取阀体中腔与出口交界面的上顶点,定义refinement值为3。

    按照工程实际经验,阀体中腔与出、入口交界面处会产生峰值应力,是疲劳分析关注的焦点。因此,以图2中“A”点为球心,对附近的网格进行refinement细化,以提高疲劳分析结果的精确度(图3)。

    4、选择分析类型并添加载荷与约束

    选择结构静力学“Static Structural”为分析类型。在Static Structural中,添加载荷与约束。激活“fixed support”命令,在阀门的出、入口施加固定约束。激活“Frictionless Support”命令,在剖开的阀门中截面上施加对称面约束。激活“Pressure”命令,在阀体内腔施加工作压力20.3MPa。

    5、设定参数

图3 网格化分结果

    在StaticStructural中,设定求解参数。选择Insert/Stress Intensity选项,插入最大剪应力理论(Tresca强度准则)的SINT应力。以寻找阀体峰值应力出现的位置。选择Insert/Fatigue/Fatigue Tool选项,进行疲劳分析的参数设置(图4)。如疲劳强度削弱系数、载荷类型及各种选择项目等。

图4 疲劳分析参数设置

    (1)疲劳强度削弱系数Kf

    材料的疲劳强度削弱系数Kf=光滑试件的疲劳强度Se/缺口试件的疲劳强度Sn,取Kf=0.8。一般构件是根据S-N曲线进行设计和选择材料的,但是设计的可靠性不能因为有了S-N曲线就会得到充分的保证。在实际中,有些重要的受力构件,即使是在考虑安全系数后进行设计,仍然产生过早的破坏。出现这种情况的主要原因是S-N曲线是用表面经过抛光并无任何宏观裂纹的光滑试件通过试验得出来的。但是实际情况并非如此,经过加工和使用过程中的构件由于种种原因,例如非金属夹渣、气泡、锻造和轧制缺陷及腐蚀坑等都会存在各种形式的裂纹,含有这种裂纹的构件承受交变载荷作用时,表面裂纹会立即开始扩展,最后导致灾难性的破坏。

    (2)载荷类型

    载荷类型中主要有4个选项。Zero-Based,R=0的脉动循环载荷,常用来模拟“启动-停止”时的疲劳。Full-Reversed,R=-1的对称疲劳循环载荷。Ratio,恒定振幅的比例载荷模式。History Data,用户自定义输入的非恒定载荷。描述一个常幅疲劳载荷谱需要两个参数,设最大应力为Smax,最小应力为Smin,应力比R=Smax/Smin

    在疲劳分析中,主要考虑阀体内腔压力由0变化到工作压力,再由工作压力变化到0的循环过程,因此选择“Zero-Based”选项。

    (3)选项

    在选项的分析类型中选择Stress Life选项。ASME法规第Ⅲ卷要求对构件的高周疲劳进行评定,使用S-N曲线,因此选择Stress Life选项。而Strain Life选项则表示低周疲劳,应使用“应变-寿命”曲线。

    (4)主应力理论

    在主应力理论选项中选择SN-None,其中主要有4种理论。SN-None,使用材料的S-N曲线进行疲劳强度分析。Goodman,对脆性金属,包括高强度钢,其抗拉强度接近真实断裂应力,用Goodman关系来描述或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很好。Soderberg,对大多数工程合金,Soderberg关系对疲劳寿命的估计比较保守。Gerber,对塑性材料,用Gerber关系较好,模型偏于危险。

    在Fatigue Tool中,选择Insert/life、Damage、Safety Factor等选项,分别设置阀体的疲劳寿命、疲劳累积损伤系数和安全系数。在Damage、Safety Factor选项中,按照核级阀门技术规格书的要求,给定设计寿命(DesignLife)为2000次循环。

四、求解

    在完成参数设置后,选择基本工具条的Solve选项,对阀门疲劳分析进行求解。

    (1)选择Stress Intensity选项,查看阀体的应力云图(图5)。结果显示,最大应力值出现在阀体中腔与出口的交界面最顶端,与工程实际经验结论相符合。对此处进行疲劳分析是正确的。

    (2)选择Fatigue Tool/Life,得到阀体寿命分布,最小寿命为77609次循环。

    (3)选择Fatigue Tool/Damage,得到阀体的疲劳累积损伤系数为0.02577<1。设计合格。疲劳累积损伤理论研究的是在变幅疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏准则。AWEFatigue疲劳计算是以ASME第Ⅲ卷和第Ⅷ部分第2章为依据,采用简化了的弹塑性假设和Miner线性疲劳累积损伤理论进行疲劳分析。

图5 SINT理论应力云图

    (4)选择Fatigue Tool/Safety Factor,得到阀体的安全系数为1.822(图6)。

图6 阀体的疲劳安全系数

五、结语

    在阀门产品设计阶段应用计算机软件ANSYSWorkbench对零部件模型进行疲劳强度检测分析,可以提高效率,降低成本,优化结构,有利于新产品的开发。