牛瑞濤 劉景源
摘 要:對(duì)于設(shè)備應(yīng)力評(píng)定問題,文章提出了三種壓力容器支座墊板與筒體環(huán)向連接角焊縫的有限元模擬方法,分別是墊板不加厚模型、墊板加厚模型和精確模型。從整體剛度和焊縫處局部應(yīng)力兩個(gè)方面進(jìn)行了三種方法的對(duì)比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),墊板補(bǔ)強(qiáng)不影響整體剛度,墊板不加厚模型對(duì)焊縫處應(yīng)力模擬過于保守,墊板加厚模型既能降低建模成本,又能準(zhǔn)確模擬壓力容器力學(xué)性能。因而,推薦采用墊板加厚模型進(jìn)行壓力容器支座墊板與筒體環(huán)向連接角焊縫模擬。
關(guān)鍵詞:壓力容器;角焊縫;仿真建模;應(yīng)力評(píng)定
焊接是一種重要的壓力容器結(jié)構(gòu)連接方式,焊縫處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是壓力容器安全評(píng)定的重要方面,采用有限元仿真方法對(duì)壓力容器進(jìn)行安全評(píng)定時(shí),無法回避的問題就是如何對(duì)焊縫進(jìn)行合理建模。焊縫力學(xué)性能領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的研究進(jìn)展,朱政強(qiáng)等進(jìn)行了不同振動(dòng)加速度下焊縫金屬動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究;陳譽(yù)研究了圓鋼管節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的殼體和實(shí)體焊縫有限元模型研究;陳峰等利用有限元方法對(duì)核電廠IHP鋼平臺(tái)焊縫處進(jìn)行了受力分析。
文章提出了三種不同的焊縫仿真方法,并對(duì)其力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,目的是為工程設(shè)備焊縫仿真提供技術(shù)參考。
1 壓力容器角焊縫模型
本研究源自核電站核安全級(jí)設(shè)備抗震計(jì)算工程技術(shù)需要。工程實(shí)例為某壓力容器支座墊板與筒體之間的環(huán)向單邊角焊縫。在設(shè)備抗震仿真計(jì)算中,一個(gè)合理的有限元模型必須同時(shí)滿足兩點(diǎn)要求:(1)準(zhǔn)確性,模型必須能準(zhǔn)確模擬設(shè)備的力學(xué)結(jié)構(gòu)特性;(2)經(jīng)濟(jì)性,模型建立成本必須保持在一定的合理范圍之內(nèi),以滿足工程的經(jīng)濟(jì)成本要求??偠灾?,合理的仿真模型需要在較低的計(jì)算成本下計(jì)算得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
基于這一考慮,本研究立足于:如何在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下對(duì)前述周圍單邊角焊縫進(jìn)行簡(jiǎn)易建模。本研究提出并比較了三種角焊縫建模方法:(1)墊板不加厚模型,此方法不考慮墊板對(duì)設(shè)備的補(bǔ)強(qiáng)作用,因?yàn)楣こ逃邢拊r(shí)應(yīng)忽略次要因素的影響,此方法用于驗(yàn)證墊板補(bǔ)強(qiáng)是否顯著影響設(shè)備力學(xué)特性;(2)墊板加厚模型,此方法假定墊板對(duì)設(shè)備力學(xué)特性的影響主要為墊板處局部剛度的增大;(3)精確模型,此方法采用MPC184 rigid beam單元模擬墊板與筒體之間的周邊角焊縫,較為繁瑣,建模成本增大。下文將對(duì)三種焊縫建模方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證不同方法的優(yōu)劣。
2 三種角焊縫模擬方法對(duì)比分析
2.1 整體剛度
結(jié)構(gòu)剛度是結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo),為了研究不同焊縫模擬方法對(duì)容器剛度的影響,本節(jié)進(jìn)行三種模型整體剛度的對(duì)比分析。容器整體剛度的性能表征可以通過容器固有頻率這一參數(shù)來實(shí)現(xiàn),根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí),固有頻率是質(zhì)量參數(shù)和剛度參數(shù)的函數(shù),因?yàn)槿N模型的質(zhì)量相同,所以模型剛度變化就會(huì)引起固有頻率的相應(yīng)改變,剛度變化越大,相應(yīng)的固有頻率值的差異越明顯。對(duì)三種模型進(jìn)行模態(tài)分析(采用BLOCK LANCZOS法),三種模型計(jì)算得到的同階振型模態(tài)相同,但是同階振型對(duì)應(yīng)的固有頻率值有所差異,前兩階振動(dòng)頻率值如表所示。從表1中可以看出,墊板不加厚模型的固有頻率值均小于精確模型,而墊板加厚模型的固有頻率值均大于精確模型;與精確模型相比,兩種近似模型的固有頻率誤差均不超過10%。因此可以認(rèn)為不同的焊縫簡(jiǎn)化處理方法對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響不大,均滿足工程應(yīng)用要求。
常用的地震響應(yīng)工程計(jì)算方法有等效靜力法(地震載荷采用地震譜零周期加速度)、準(zhǔn)靜力法(地震載荷采用地震譜峰值加速度的1.5倍)和譜分析法。在核安全設(shè)備抗震評(píng)定中,地震譜截?cái)囝l率通常在33Hz左右,所分析壓力容器僅有第一階固有頻率稍低于截?cái)囝l率,因此,雖然所分析壓力容器不屬于剛性結(jié)構(gòu),不能采用等效靜力法進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算,但是可以采用準(zhǔn)靜力法。
2.2 焊縫處局部應(yīng)力
結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布是進(jìn)行壓力容器強(qiáng)度評(píng)定工作最直接的數(shù)據(jù)支持。焊縫處幾何和材料均發(fā)生不連續(xù),因此焊縫附近區(qū)域應(yīng)力分布屬于典型的局部應(yīng)力,焊縫處局部應(yīng)力過大會(huì)嚴(yán)重危害壓力容器的服役可靠性,因此,不同方法求解得到的焊縫處局部應(yīng)力準(zhǔn)確程度是一個(gè)令人關(guān)心的問題。本節(jié)采用準(zhǔn)靜力法進(jìn)行壓力容器的地震響應(yīng)求解,三種模型計(jì)算得到的焊縫處第一主應(yīng)力分布(核安全設(shè)備應(yīng)力評(píng)定中通常采用最大主應(yīng)力理論)如圖1所示。從圖中可以看出,墊板不加厚模型的焊縫處局部應(yīng)力最大值是其它兩種模型的幾十倍,說明采用墊板不加厚模型得到的焊縫處應(yīng)力過高,結(jié)果過于保守,當(dāng)需要校核焊縫抗震安全性時(shí)不宜采用墊板不加厚模型進(jìn)行計(jì)算。同時(shí),采用墊
板加厚后焊縫處應(yīng)力急劇減小這一事實(shí)驗(yàn)證了壓力容器設(shè)計(jì)中采用墊板加厚處理的合理性;墊板加厚模型焊縫處最大應(yīng)力比精確模型降低了約29%,再考慮到墊板加厚模型的建模工作量遠(yuǎn)小于精確模型,綜合來講,墊板加厚模型焊縫處應(yīng)力計(jì)算精度較高且建模成本下降明顯,因此,可以采用墊板加厚模型進(jìn)行焊縫處應(yīng)力抗震計(jì)算。
3 結(jié)語
文章利用有限元方法進(jìn)行了三種壓力容器支座與筒體連接角焊縫的對(duì)比分析,并形成了以下結(jié)論:
(1)墊板補(bǔ)強(qiáng)對(duì)壓力容器整體剛度影響較小,可能是由于結(jié)構(gòu)剛度較大;
(2)墊板不加厚模型計(jì)算得到的焊縫處受力過高,當(dāng)需要校核焊縫抗震安全性時(shí)過于保守,可能會(huì)引起材料的浪費(fèi);
(3)墊板加厚模型能夠準(zhǔn)確模擬壓力容器力學(xué)性能,計(jì)算成本又較精確模型顯著地降低,文章認(rèn)為此方法適用于所針對(duì)的壓力容器支座與筒體連接角焊縫應(yīng)力評(píng)定,但是此方法對(duì)更廣泛的設(shè)備焊縫模擬的適用性仍值得進(jìn)一步研究。
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