林瑞進，汪自祥，陳　楠，章宇慶

（中國聯合工程有限公司，浙江 杭州310052）

0　前言

核電轉子作為核電發(fā)電機組中核心部件，因其自身重量與體積非常大，一般采用分段焊接組成。雖然焊接轉子具有設計靈活、剛性好等優(yōu)點，但其制造技術要求也高。轉子焊接成型后一般都需要對其整體進行焊后退應力處理，這就需要一套起吊工具以保證在其焊接、熱處理等運輸過程中絕對安全可靠。根據JBT5253.2《汽輪機隨機專用工具技術條件轉子起吊工具》規(guī)定，轉子起吊工具要求包含工作橫梁、吊架、吊塊、鋼絲繩等基本部件。但熱處理后深井爐溫度依然較高，無法通過鋼絲繩來實現起吊轉子，必須為其設計專用起吊吊具[1]。文中介紹了400T核電焊接轉子整體起吊翻身裝置[2]，可實現400T核電焊接轉子的自動抓取、翻轉功能，解決了焊接轉子在焊接、熱處理及加工帶來諸多不方便問題。

起吊架、翻轉盤及棘爪作為400T核電焊接轉子吊具的重要結構部件，其結構可靠性直接影響著吊具的承載能力和安全性，在起吊過程中起到了關鍵作用。400T核電焊接轉子吊具的結構設計一般采用經驗公式確定結構主要尺寸，然后根據結構形狀對其進行簡化，并按照彈性曲梁理論進行驗算，該方法對設計模型簡化要求較高，模型簡化不當有可能導致危險截面被忽略，且由于簡化不明確，容易導致計算繁瑣。此外，采用這種方法進行設計計算時，雖已知吊具使用工況和負載，但很難對其在設計階段就可全面了解吊具在工作過程中各部件的性能是否滿足使用要求及安全可靠性。隨著計算機輔助設計的發(fā)展，有限元分析在結構設計過程中起到了重要作用，利用有限元分析軟件以吊具進行參數化設計，在完成實體建模后加載實際工況進行有限元模擬分析，對吊具各部件應力分布和形變情況作定性認識，為吊具結構設計提供理論依據，同時有效降低產品成本[3-5]。

本文采用有限元分析軟件，對400T核電焊接轉子吊具重要結構部件進行有限元分析建模，并賦予其物理特性，在外界負載作用下計算出各部件每一點的應力大小，校核各部件是否滿足可靠性要求，同時對吊具提出優(yōu)化設計，這不僅保證了吊具在使用過程中的安全可靠性，同時也為吊具的結構設計提供理論依據[6]。

1　起吊架有限元模型及分析

1.1　起吊架結構模型

起吊架通過電動插銷機構連接著行車上W型吊鉤與翻轉盤，起吊架工作過程中可簡化為2只吊點，載荷均勻分布，屬對稱結構，如圖1所示。起吊架整體采用高強度結構鋼（Q345-A）焊接而成，兩側面板作為起吊架至關重要的零件，采用整體加工制作而成，厚度δ50 mm.起吊架在工作過程中始終處于豎直狀態(tài)，承受400T載荷時為最不利工況。

圖1　起吊架物理模型

起吊架在有限元分析過程中，主要考慮其自身的強度。通過對起吊架初步分析可知，其在軸承處的邊界條件對起吊架的應力分布有較大影響。為了減少這種影響，需建立軸的有限元模型，軸和軸承之間采用接觸方式進行連接，以減小此處邊界條件對起吊架應力分布的影響；同時考慮到起吊架是一個對稱結構，為了減少計算量，僅對起吊架的一部分進行建模分析。整個模型采用8節(jié)點六面體單元劃分網格，共有8.2萬個單元，10.6萬個節(jié)點。具體模型如圖2所示，材料特性見表1.

圖2　起吊架有限元模型

表1　起吊架材料特性

1.2　邊界條件

應用ANSYS有限元分析，施加載荷和邊界條件時考慮起吊架最不利工況，即起吊架承受400T時為最不利工況，具體邊界條件見圖3.

圖3　起吊架邊界條件

1.3　計算結果與分析

通過對模型的有限元分析，可計算得到起吊架的應力分布圖，具體見圖4.

圖4　起吊架總體應力分布

1.4　結論

通過上述起吊架的有限元模型分析，除起吊孔、軸承及拐角處，起吊架其它部位的應力都處于較低水平。起吊孔最大應力為166 MPa，拐角處為125 MPa，雖應力較大，但應力梯度很大，高應力區(qū)范圍小，且與材料屈服極限295 MPa相比具有較大的余量；從理論分析得出，起吊架是安全可靠[7-8]。但起吊架作為400T核電焊接轉子吊具的重要部件，工作過程中需承受400T的載荷，設計過程中應盡力提高其安全可靠性。

1.5　優(yōu)化設計

起吊架最大應力出現在起吊孔及拐角處，為了降低最大應力，可通過增加兩側面板的厚度，及增加加強筋板或者采用屈服強度更高的材料等方法。本文對起吊架結構的優(yōu)化主要為兩側面板厚度δ50 mm增加為δ70 mm，同時優(yōu)化兩側面板內加強筋板的位置，具體見圖5所示。

圖5　起吊架優(yōu)化后物理模型

通過對上述優(yōu)化后的起吊架模型重新進行有限元分析，可計算得到起吊架的應力及相應位置，具體見圖6～圖8所示。

圖6　總體應力分布

圖7　內部應力分布圖

圖8　位移分布圖

從上述表2的起吊架前后設計結果的比較可知，起吊架整體材料約增加2T，安全余量提高了25%.

表2　起吊架前后設計比較

吊具作為核電焊接轉子，尤其作為400T核電焊接轉子專用吊具，其安全可靠性不僅關系到吊具的承載能力，甚至關系到核電焊接轉子的壽命及起吊過程的安全可靠性。從工程角度出發(fā)，通過增加部分材料，即以較低成本來提高產品安全可靠性具有重要意義[9-10]。

2　翻轉盤和棘爪有限元模型及分析

2.1　翻轉盤和棘爪結構模型

通過對翻轉盤初步的有限元計算分析可知，在棘爪抓取400T核電焊接轉子起吊過程中，棘爪縮緊最小距離為940 mm時翻轉盤處于最不利工況。為提高計算精度，減少因模型簡化而帶來的誤差，對軸、翻轉盤、棘爪同時進行建模；同時考慮到翻轉盤的受力及模型具有對稱性，為減少計算量，僅對1/2模型進行有限元分析。

軸、翻轉盤和棘爪的1/2物理模型如下圖9，有限元模型如圖10，整個模型采用8節(jié)點六面體單元劃分網格，共有14.15萬個單元，17.3萬個節(jié)點，材料特性見表3.

圖9　翻轉盤和棘爪物理模型

圖10　翻轉盤和棘爪有限元模型

表3　翻轉盤和棘爪材料特性

2.2　邊界條件

當棘爪之間的距離為940 mm，承受400 T重力時為最不利工況，此時邊界條件見圖11，其中軸與翻轉盤之間、棘爪與翻轉盤之間使用接觸條件。

圖11　翻轉盤和棘爪邊界條件

2.3　計算結果與分析

通過有限元分析，可計算得到翻轉盤、棘爪的應力分布及相應的位移。具體見圖12～圖14.

圖12　翻轉盤總體位移分布

圖13　翻轉盤應力分布

圖14　棘爪應力分布

2.4　結論

通過上述翻轉盤和棘爪有限元模型分析，翻轉盤在最不利工況時的總體應力水平較低，翻轉盤在軸承處的應力為88.5 MPa，最大應力為190.2 MPa，小于材料的屈服強度295 MPa，且從最大應力處的應力分布看，除局部位置的應力處于較高水平，其余部分的應力水平較低，有較大的安全余度；從棘爪應力分布可以看出，棘爪的平均應力約為38 MPa，最大應力為124 MPa，從應力部分還可以看出，棘爪最大應力分布的區(qū)域很小，棘爪有很大的安全余量。綜上分析，翻轉盤和棘爪的設計是安全可靠的。

3　結束語

綜上所述，利用有限元分析方法，對400T核電焊接轉子起吊吊具各重要部件的受力情況進行分析，分析結果作為結構設計的理論依據，并按照有限元分析結果對起吊吊具的安全性做出判斷，有效保證了產品的安全可靠性。該設備于2015年投入順利投入使用，至今未出現故障。如圖15所示。

圖15　實例