1、概述

　　核電站現(xiàn)場(chǎng)使用的閥門(mén)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須按照核電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則進(jìn)行鑒定試驗(yàn)，全部鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)后，方被認(rèn)定為核級(jí)產(chǎn)品，允許投入核電站運(yùn)行�？拐鹪囼�(yàn)是重要的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目，目的在于考核核級(jí)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震事故和安全停堆地震事故時(shí)及事故后仍能保持結(jié)構(gòu)完整，并能夠執(zhí)行安全功能。為提高產(chǎn)品抗震試驗(yàn)的成功率，有效降低開(kāi)發(fā)成本，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，對(duì)所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和抗震分析，了解其結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而采取相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施非常必要。

2、工作原理

　　HQ2F-D6.5是雙膜片氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由殼體、手動(dòng)部件、氣路部件(包括電磁閥、減壓閥)、膜片部件、推力軸、碟簧、支架部件和行程部件等組成(圖1)。通電時(shí)，電磁閥動(dòng)作，壓縮氣通過(guò)減壓閥進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)腔內(nèi)，氣壓通過(guò)膜片向上壓縮碟簧，帶動(dòng)推力軸向上運(yùn)動(dòng)，使閥門(mén)開(kāi)啟，并通過(guò)行程開(kāi)關(guān)輸出閥門(mén)開(kāi)啟到位信號(hào)。斷電時(shí)，電磁閥復(fù)位，腔內(nèi)氣壓消失，碟簧依靠自身彈力帶動(dòng)推力軸向下運(yùn)動(dòng)，使閥門(mén)關(guān)閉，并通過(guò)行程開(kāi)關(guān)輸出閥門(mén)關(guān)閉到位信號(hào)。另外，也可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪壓縮碟簧，控制推力軸上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。HQ2F-D6.5氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)全行程6.5mm，全行程時(shí)向上拉力1.27kN，質(zhì)量60kg，此型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于控制核電站現(xiàn)場(chǎng)中定義關(guān)狀態(tài)為安全狀態(tài)的閥門(mén)。

1.支架部件 2.行程部件 3.下殼體 4.膜片部件及推力軸 5.中殼體 6.氣路部件 7.上殼體 8.碟簧 9.手動(dòng)部件

圖1 HQ2F-D6.5氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3、分析方法

　　以HQ2F-D6.5氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行抗震研究(圖2)。首先確定氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固有頻率，然后根據(jù)IEEEStd344進(jìn)行分析。如果最小固有頻率低于要求反應(yīng)譜(RRS)最高頻率(其最高頻率為60Hz，最高加速度為9g)，則設(shè)備為柔性設(shè)備，可使用動(dòng)態(tài)分析法進(jìn)行分析。反之則為剛性設(shè)備，可使用靜態(tài)分析法進(jìn)行分析。

圖2 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

4、模型前處理

4.1、模型簡(jiǎn)化

　　對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，由于其形狀復(fù)雜，組合部件多，約束種類(lèi)多，如果對(duì)所有零件進(jìn)行分析，存儲(chǔ)量和計(jì)算量往往會(huì)成為瓶頸，因此進(jìn)行合理的模型簡(jiǎn)化和質(zhì)量轉(zhuǎn)移。

　　氣路部件形狀復(fù)雜，不易分析，因此忽略氣路部件的剛度，在其質(zhì)心處建立質(zhì)量點(diǎn)，并通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)化支撐板與上、下殼體連接，模擬氣路部件對(duì)殼體零件的影響，并通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)的位移考核連接管道的強(qiáng)度。手動(dòng)部件、碟簧、膜片部件及推力軸自身受地震載荷的影響較小，因此建立簡(jiǎn)化軸與上下殼體配合，將手動(dòng)部件、碟簧、膜片部件及推力軸的質(zhì)量施加在其上，模擬這些部件對(duì)殼體零件的綜合影響。行程部件安裝位置低，自身質(zhì)量輕，連接緊固，受地震載荷影響較小，因此將行程部件質(zhì)量轉(zhuǎn)移至支架上，模擬其對(duì)支架的影響。

　　經(jīng)過(guò)分析，簡(jiǎn)化模型由上殼體、中殼體、下殼體、連接螺栓、支架、簡(jiǎn)化支撐板和簡(jiǎn)化軸等組成，總質(zhì)量不變(表1)。坐標(biāo)系原點(diǎn)處于執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化前重心處，Z軸為殼體安裝面的法向方向，Y軸為上殼體加強(qiáng)筋平面的法向方向(圖3)。

圖3 HQ2F-D6.5簡(jiǎn)化模型

表1 材料性能

4.2、定義約束

　　對(duì)質(zhì)量點(diǎn)與簡(jiǎn)化支架的端面節(jié)點(diǎn)定義約束方程，使其剛性連接。氣路部件上的質(zhì)量載荷通過(guò)約束方程傳遞到簡(jiǎn)化支架上。

　　因執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到的重力和工作載荷方向均為Z向，地震載荷亦是沿三個(gè)正交方向，且螺栓預(yù)緊力又使得殼體之間緊密相連，不會(huì)產(chǎn)生滑移。在殼體接觸面上定義多點(diǎn)耦合，僅保留Z向自由度，并定義標(biāo)準(zhǔn)摩擦接觸，防止發(fā)生穿透現(xiàn)象，摩擦系數(shù)取0.15。

　　簡(jiǎn)化軸與上殼體和下殼體之間沒(méi)有較大的載荷傳遞，并且接觸面緊密配合，因此采用標(biāo)準(zhǔn)摩擦接觸方式對(duì)其進(jìn)行定義，摩擦系數(shù)取0.15。

　　連接螺栓主要承受拉力的作用，因此將螺栓頭部與殼體接觸面采用綁定接觸方式進(jìn)行定義，這樣定義可能會(huì)使螺栓的接觸節(jié)點(diǎn)及殼體的接觸節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，是一種保守的定義方式。連接螺栓與簡(jiǎn)化支撐板之間接觸面進(jìn)行相同的定義。

　　支架通過(guò)4個(gè)螺栓與下殼體連接，其對(duì)模型起支撐作用。螺栓與下殼體接觸面采用重合位置節(jié)點(diǎn)耦合的方式進(jìn)行定義，約束所有自由度，螺栓與支架接觸面采用綁定接觸，為防止發(fā)生穿透現(xiàn)象，支架與下殼體接觸面采用標(biāo)準(zhǔn)摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.15。在支架底側(cè)定義位移約束。

4.3、網(wǎng)格劃分

　　對(duì)分析模型劃分網(wǎng)格(圖4)。分析模型由294851個(gè)四面體單元、66190個(gè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)集中質(zhì)量單元、13對(duì)接觸面、2對(duì)多點(diǎn)約束面、1個(gè)位移約束面組成。

圖4 有限元分析模型

5、抗震分析

　　運(yùn)用Block-Lanzos方法對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到模型前4階的固有頻率為79Hz、87Hz、113Hz和266Hz。因模型的最低固有頻率>60Hz，采用靜態(tài)分析法對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行抗震計(jì)算。

5.1、施加載荷

　　靜態(tài)分析法是用簡(jiǎn)單的方法加上一定的保守因子對(duì)模型進(jìn)行分析。由經(jīng)驗(yàn)確定取靜態(tài)系數(shù)為1.5，以考慮多頻激勵(lì)和多振型響應(yīng)對(duì)線性框架型構(gòu)筑物的影響。地震對(duì)每一個(gè)設(shè)備部件的作用力通過(guò)質(zhì)量值乘以要求反應(yīng)譜的最大峰值再乘以靜態(tài)系數(shù)獲得。

　　在坐標(biāo)系原點(diǎn)上施加地震載荷，模擬抗震試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備重心處試驗(yàn)反應(yīng)譜包絡(luò)要求反應(yīng)譜。因?yàn)橐�求反�?yīng)譜(RRS)最高加速度為9g，施加的地震載荷為9g×1.5=13.5g，同時(shí)施加重力g。模型自身氣源壓力為0.4MPa，作用在中殼體及下殼體內(nèi)部底面。碟簧力為11300N，作用在上殼體內(nèi)部頂面。

5.2、抗震分析

　　分析得到HQ2F-D6.5模型的最大位移為0.707mm，其中氣路部件質(zhì)點(diǎn)的位移為0.5mm，位移量小，不會(huì)對(duì)連接管道造成破壞。殼體零件的法蘭邊與殼身的連接圓角處應(yīng)力相對(duì)較大，支架及連接螺栓等零件應(yīng)力符合要求。

5.3、結(jié)果評(píng)定

　　安全停堆地震載荷為D級(jí)使用載荷，氣動(dòng)裝置作為核1級(jí)設(shè)備應(yīng)滿足事故載荷后可運(yùn)行性的要求，即O級(jí)準(zhǔn)則。材料在O級(jí)準(zhǔn)則下的應(yīng)力限值見(jiàn)表2。

表2 材料應(yīng)力限值

　　對(duì)各個(gè)零件分析得到的最大剪切應(yīng)力與材料應(yīng)力限值進(jìn)行比較，得到殼體零件、支架和連接螺栓的評(píng)定結(jié)果(表3)。

表3 分析結(jié)果評(píng)定

5.4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　根據(jù)殼體零件的分析結(jié)果，對(duì)法蘭邊與殼身的連接圓角處應(yīng)力相對(duì)較大部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加一個(gè)過(guò)渡臺(tái)階，提高了殼體的強(qiáng)度，使殼體整體受力更均勻(圖5)。

圖5 殼體零件

6、結(jié)語(yǔ)

　　HQ2F-D6.5型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用最?lèi)毫拥墓�況、最不利的載荷組合進(jìn)行抗震分析，計(jì)算各個(gè)重要部件的應(yīng)力，然后根據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)定。經(jīng)過(guò)分析表明，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自振頻率遠(yuǎn)高于核電標(biāo)準(zhǔn)要求的33Hz，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體在地震載荷、重力和工作載荷的綜合作用下產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力、薄膜加彎曲應(yīng)力在許用值范圍內(nèi)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體間的連接螺栓滿足強(qiáng)度要求，分析應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，殼體法蘭邊與殼身的連接圓角處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力分布更加均勻。HQ2F-D6.5型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足ASME關(guān)于核1級(jí)設(shè)備的應(yīng)力要求，可制作樣機(jī)進(jìn)行抗震試驗(yàn)。