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压力容器密封主螺栓预紧模拟

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1加载原则

图1是我国自主核电站反应堆压力容器顶盖,共有48个主螺栓,按对称关系分成12组,每组4个螺栓。按表1顺序对螺栓进行加载,组内的螺栓载荷相同,组间的螺栓载荷进行优化配置,先高后低,原则上1~2组载荷相同;3~4组载荷相同;依此类推,如表1所示。

2有限元分析

根据压力容器和预紧螺栓受力不对称的特点,取整体模型进行分析计算。采用三维CAD软件建立了压力容器的几何模型,其中包括顶盖、筒体、主螺栓、主螺母等。在ABAQUS软件中建立压力容器的有限元分析模型,进行螺栓预紧过程的有限元分析,并根据分析结果来校核螺栓预紧是否满足要求。

2.1计算模型在计算模型中,压力容器的顶盖、筒体、主螺栓、主螺母等均采用三维实体建模和三维实体有限元网格。压力容器的三维几何模型如图2所示,有限元网格如图3所示。三维实体网格采用4节点四面体单元。在ABAQUS中,通过boltload来施加螺栓的预紧力,每个螺栓的预紧力通过连接预拉伸截面来定义,作用于整个预拉伸截面上,预拉伸截面用一个内部的sur⁃face来定义。预拉伸截面定义在螺栓杆的中部。预紧力的作用方向沿着螺栓杆的轴线,所以在定义预紧力之前,需要先定义每个螺栓的轴线方向作为预紧力的作用方向。约束筒体4个支耳位置的3个方向的平动自由度。在顶盖的外环加了一个柱坐标系下的旋转位移约束(U2=0)的边界条件,因为是近似轴对称结构,每一步的载荷也是轴对称的。

2.2螺栓力的逐级分组加载螺栓力必须在第一个分析步就施加,所以这里每一个螺栓力都从第一个step就施加上去了。通过修改螺栓力的大小来满足逐级分组加载。在一级加载中,总共建立了13个分析步,有12个分析步是用来分布加载12组螺栓载荷,加载全部载荷的60%。(1)第一步,所有的螺栓加一个非常小的螺栓力1e-6kN,相当于没有力;(2)在第二个step修改第一组的几个螺栓的加载力,为800×9800×0.6N;(3)在第三个step修改第二组的几个螺栓的加载力,为800×9800×0.6N,依次类推,从而逐级实现分组加载;(4)螺栓力的大小。所有螺栓每一个均承载800t的螺栓力,即为800×9800N。不同的加载级再乘以一个比例系数即可。第二级和第三级的加载方法和第一级的类似,也分别建立12个step,来分别加载12个组,所以总共有37个step。通过在不同的分析步改变不同的组的加载幅值,二三级和第一级不同的是加载的值变大了,第二级为最终螺栓力的80%,第三级加载到100%。从而实现了螺栓力的逐级分组加载。

2.3接触设置模型中,在3个地方设置了接触:(1)主螺母和顶盖的接触(48对);(2)顶盖和其下方筒体之间的接触(3对);(3)螺栓和螺孔的接触(48对)。

2.4一级加载的计算结果一级加载分12组进行,每次分别按照前面所述预紧48个螺栓中的4个。12组加载全部完成,最终变形基本上是轴对称变形的。将每组螺栓预紧后,上法兰的最大变形见图4,可以看出随着加载不断进行,上法兰最大位移逐渐增加。

2.5两级加载的计算结果第一级的12组加载完毕后,进行第二级的12组加载,这是在第一级加载的基础上进行的,螺栓预紧力为总载荷的80%。统计每组加载完成后,上法兰的最大位移,如图5所示。

3三级加载的计算结果

同样的方法,三级加载后,每个螺栓均加到了100%的载荷值。统计第三级每组加载后上法兰的最终变形,如图6所示。

三级加载过程中螺栓力的变化三级加载的过程中,1号螺栓力的变化如图7所示。图7中间的两个下降到0N的点并不表明此时螺栓力真为0N,而是此时在施加第二级螺栓力,所以这两处螺栓力应为加载的螺栓力,开始的第二个点和第三个点也是类似的。所以上图中的那三个位置对应的力应该为:500T,730T,810T,也就是4900kN,7154kN,7938kN。图8是第一组螺栓(4个,分别是1,13,25,37号螺栓)的螺栓力随加载过程的变化。从图中可以看出,这4个螺栓上的螺栓力完全相同,因为这4个螺栓是完全轴对称的,并且在计算的过程中同时加载,每次所加的载荷也相同,所以这4个螺栓的受力完全相同。和第一组螺栓类似,其他12组也分别是轴对称的,所以每组的螺栓上的力完全相同。下面输出了所有48个螺栓的螺栓力的时间历程,发现这些螺栓的螺栓力最终分为12组,一次向右推移一个时间步,反映了一次拧紧螺栓的过程。从图9中可以看出,每组在施加完对应级数的载荷后,在施加其他组螺栓力载荷时,前面组的螺栓力是较刚刚加载上时略有下降,所有螺栓的载荷都没有超过最大的加载载荷805T,所以分级加载并不会影响螺栓承载的安全性。

4结论

通过在ABAQUS里合理建模并合理分析,得到了合适的计算结果,包括螺栓载荷的变化、上下法兰的变形过程等。通过计算数据可知,本文螺栓加载荷顺序和大小比较合理,从而为工程实际预紧操作提供优选方案。

作者:陈宝 单位:海军驻北京地区舰船设备军事代表室

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