核電常規島用超高液壓螺栓拉伸器關鍵結構的數值分析

張澄東，浦琪琦，張江濤，李萍

(上海電力修造總廠有限公司，上海 201316）

核電常規島用超高液壓螺栓拉伸器關鍵結構的數值分析

張澄東，浦琪琦，張江濤，李萍

(上海電力修造總廠有限公司，上海 201316）

針對核電常規島用螺栓拉伸器具有超高壓、超小空間作業工況的特性，提出一種基于數值分析與實驗相接合的設計方法，運用ANSYS軟件對螺栓拉伸器關鍵結構——缸體與螺帽進行有限元校核，并與測定的應變實驗數據進行對比；同時分析參數Rm、D對螺帽結構的優化特性。研究結果表明:初設的缸體強度和剛度滿足材料的要求，但螺帽在“L型”截面拐點處出現“負”安全系數；優化螺帽結構尺寸，當Rm=8 mm，D=60 mm時與初設參數相比應力減小了121.2%，應變減小了58%，安全系數得到極大提高，這為該設備的可靠性和安全性提供了設計依據。

常規島；螺栓拉伸器；螺帽；缸體；優化設計

隨著核電技術的不斷發展，核電設備裝配中大型的螺栓聯接起著至關重要的作用。傳統上常用力矩扳手法和螺栓加熱法來預緊大螺栓，此方法易對設備、螺栓及密封材料產生損傷，而且預緊力不均勻會造成設備間的泄漏及聯接件變形，無法滿足質檢嚴格的核電事業要求［1－3］。目前世界上核電站廣泛運用先進的液壓拉伸預緊技術，它具有緊固精度高、結構緊湊、安全經濟等優點。某公司自主研發的核電用超高液壓拉伸器為常規島給水泵設備配套的重要專用工具之一，它不僅承擔著常規島給水泵安裝、拆卸時設備主螺栓上的拉伸預緊，而且具有螺帽快速旋緊、松開的功能［4］。螺栓拉伸器的設計是否合理、安全與可靠，直接影響設備的裝配質量和使用效果。文中利用ANSYS對拉伸器關鍵結構的安全性、可靠性進行探討，為研制核電用特定超高液壓螺栓拉伸器提供技術支持。

1 螺栓拉伸器的原理及參數

螺栓拉伸器的結構如圖1所示。高壓油通過快速接頭進入油缸工作腔，隨著壓力的增大使活塞向上頂起，活塞帶動螺帽一起運動，而被拉伸的螺栓是擰在螺紋套中的，因此螺栓在彈性變形范圍內被拉長，螺母則與接觸面脫離開來，此時用手棒在支架的開口處轉動螺母。卸去油缸內的高壓油，螺栓靠本身彈性鎖住軸向變形，從而達到螺栓拉伸器預緊的目的［5］。

圖1 螺栓拉伸器的三維示意圖

拉伸器油壓力參數的確定至關重要。如果壓力過大，會造成拉伸器強度損壞，也有可能使螺栓的拉伸變形超出彈性范圍；如果壓力過小，設備之間的連接高密封比壓得不到保證，也會危害到設備的安全運行。螺栓材料在彈性變形階段，其伸長量與所加荷載成正比關系，螺栓伸長量計算公式如下:

該常規島給水泵用大螺栓M80×6，材料選用具有高強度、韌度和良好淬透性的35CrMoA，其彈性模量為2.13×106MPa；螺栓拉伸器活塞內、外徑分別為133.5和193 mm；活塞的最大行程為10 mm，通過公式 (3）計算帶有富裕量的最大工作壓力約為110 MPa。

2 液壓拉伸器關鍵結構的有限元分析

2.1 等效模型與邊界設置

此常規島用液壓拉伸器作業于超小空間、超高壓工況，材料的選用以及結構的強度校核對設備和工作人員的安全起著重要的作用。通過力學理論和實踐經驗可知，缸體和螺帽是主要的承壓零件，導角過渡處產生集中應力，易從此處發生裂紋擴展而導致拉伸器設備損壞。缸體H和螺帽D高度是所研究應變的范圍；而缸體內“U” (從a到b）和螺帽“L” (從c到d）則為研究的應力區域。Rm為螺帽L過渡處的倒角 (如圖2所示）。其中:ΔL為螺栓預緊拉伸伸長量；L為螺栓有效長度；E為螺栓材料的彈性模量；SB為螺栓截面積；δ為預留的伸長量。通常 ΔL/L為 6×10－4～7×10－4［1］。螺栓所承受的荷載N可以由液壓缸油壓p和液壓缸活塞截面積SD確定:

圖2 缸體和螺帽的半截面示意圖

通過公式 (1）和 (2）可知拉伸器工作時需要輸入到液壓缸的壓力值，其表達式如下:

為了保證數值計算的準確性和計算機資源的有效利用，對計算模型進行如下處理:省略缸體、螺帽細微結構，如缸體進油口尺寸、螺帽圓柱銷孔以及缸體、螺帽外端的斜倒角；著重分析缸體、螺帽承壓過段圓弧區域，為保證有足夠的計算精度，此處網格加密細分［6］；以實體模型方式單獨對缸體、螺帽進行仿真。

缸體、螺帽的材質為40CrNiMoA，彈性模量2.09×106MPa。實體網格劃分采用SOLID45六面體單元，缸體和螺帽單元各約為25萬，如圖3所示。根據螺栓拉伸器的結構特點和實際約束情況，對缸體底端和螺帽上與螺栓相聯接區域采用全固定約束，以消除結構的剛性位移。當活塞達到最大行程時作為靜力分析的臨界點，作用于缸體內部與螺帽的壓力為110 MPa。

圖3 缸體和螺帽的網格圖

2.2 計算的結果和分析

圖4為缸體模型外端H區域有限元仿真與試驗(采用位移打點表，施加試驗壓力，保壓5 min測量）對比曲線。不難發現兩者得到的應變規律基本相同，隨著H的增加分布曲線先緩慢減小，然后在H=45.8 mm時急劇增加到最大值，此時仿真結果 (0.043 mm）是試驗值的1.2倍。由于有限元算法采用最小勢能原理，連續離散化的過程使計算結果稍大于真實值，但兩者的值都遠小于液力螺栓拉伸器外徑允許的變形量［7］:

式中:φt為缸體外徑變形量 (mm）；Dw為螺栓拉伸器本體外徑 (mm）。試驗過程中，缸體在彈性變形范圍內，無泄漏現象。

圖4 缸體模型H區域應變值分布曲線

圖5 缸體U型區域應力值分布曲線

從圖5中可以看出:缸體U型區域仿真應力與理論力學結果變化規律基本也是相同，其值略高于理論值，且分布曲線在L=38.6、67.5 mm處有兩個極值點。這說明了缸體兩倒角處出現了應力集中，靠近螺紋端處應力略大，如果缸體發生循環應力疲勞，裂紋擴展勢必從內端向外擴展。最大集中應力為564.6 MPa，安全系數為1.48，缸體的剛度和強度滿足材料的性能要求。

圖6—7為螺帽模型D區域與L型區域應變、應力分布曲線?？梢郧宄匕l現螺帽外端應變變化較平緩，仿真最大值為0.183 mm，出現位置為D區域的兩端。而螺帽L型區域應力在L=40 mm處 (拐點處）出現了劇增，無論仿真值還是理論值都大于材料的強度極限，出現了“負”安全系數，這是應力集中系數過大造成的。

圖6 螺帽模型D區域應變值分布曲線

圖7 螺帽L型區域應力值分布曲線

為了更清楚的顯示缸體、螺帽的應力和應變細節，圖8給出了結構的云圖。圖中清楚地看到缸體、螺帽的后處理應變結果，以及集中應力出現的區域(紅色拐角處）。應力集中系數過大勢必對設備及工作人員造成不必要的危害，接下來利用有限單元法對螺帽結構進行優化。

圖8 缸體、螺帽的應變、應力云圖

2.3 螺帽的優化

從數值模擬的角度來分析參數Rm、D對螺帽應變、應力的影響，結果如圖9所示?？梢郧宄亓私鈶儭η€變化趨勢與初設參數一致。倒角R m設定為4、6、8 mm，隨著參數的增大，D區域應變曲線 (圖9(a））近似往下移，使最大應變減??；同時當Rm=8 mm，最大應力值 (圖9(b））減小了50%。D設定為50、55、60mm，通過曲線 (圖9(c）、(d））發現與參數Rm變化趨勢基本一致。考慮到活塞尺寸以及結構質量的限制，取Rm=8 mm，D=60 mm為優化尺寸，得到優化結果如圖10—11所示。

圖9 不同參數對螺帽的優化分布曲線

圖10 螺帽D區域應變最終優化曲線

圖11 帽L型區域應力 最終優化曲線

從圖10和圖11可知:螺帽D區域最大應變為0.113 mm，L型區域最大應力為536 MPa。優化后的設備質量雖增加了1.1倍，但相比初設參數最大應力減小了121.2%，應變減小了58%，安全系數為1.43，提高了安全性能，滿足設計要求。

4 結論

(1）缸體的最大應變發生在H=45.8 mm處，最大應變為0.043 mm；而最大應力發生在L=67.5 mm處，集中應力最大為564.6 MPa，安全系數1.48。缸體的強度和剛度滿足材料的性能要求。

(2）螺帽最大應變的仿真值為0.183 mm，發生在D區域的兩端，滿足設計要求。而由于應力集中系數的影響，在螺帽L型倒角Rm過渡處最大應力值達到1 186 MPa，是結構的危險區域。

(3）分析參數Rm、D對螺帽的應力、應變影響。隨著Rm、D的增大，螺帽的應變、應力都有明顯的減?。辉谔囟ǖ膬灮叽缦伦畲髴優?.113 mm，最大應力為536 MPa，極大提高了結構的安全系數。根據優化結果進行實際方案設計，提高了設備的安全性和可靠性。

［1］楊盛福.螺栓的液壓拉伸預緊［J］.機床與液壓，2005(8）:149－151.

［2］胡志棟.徐康博.液壓拉伸器用螺栓的可靠性分析［J］.森林工程，2012(2）:38-41.

［3］劉洪海，蔡偉.基于液壓拉伸法的風力發電機組螺栓緊固技術研究［J］.特種結構，2012(4）:53－55.

［4］李偉，王芳，田玉江，等.深水法蘭連接機具螺栓預緊方法及裝置研究［J］.中國造船，2012(6）:91－96.

［5］梁衛兵，張江濤，徐海旭.高液壓螺栓拉伸器的安全系數評定與試驗研究［J］.液壓與氣動，2013(4）:91－94.

［6］楊秀萍，宗升發，曹曉邨.液壓機結構設計的有限元法［J］.重型機械，2003(6）:38-41.

［7］機械工業冶金設備標委會.JB/T 6390-2007液力螺栓預緊器［S］.北京:機械工業出版社，2007.

Numerical Analysis on Key Structure of Super High Pressure Hydraulic Bolt Stretcher for Conventional Island of Nuclear Power

ZHANG Chengdong，PU Qiqi，ZHANG Jiangtao，LIPing
(Shanghai Power Equipment Manufacture Co.，Ltd.，Shanghai201316，China）

Aiming at the characteristics that the bolt stretcher for conventional island of nuclear power has the ultra high pressure，ultra small space operation conditions，a design method based on numerical analysis and experimentwas presented，the ANSYS software was used to check the cylinder block and blind nut，and the analysis resultswere compared with the experimental strain data.The optimization characteristices of the parameters Rm，D on the blind nutwere analyzed.The results show that:the strength and stiffness of first set of cylinder block can meet thematerial requirements，but the blind nut has“negative”safety factor in the inflection pointof“L”section；optimizing the blind nut structure size，when Rmand D are equal to 8mm and 60mm respectively，the stress decreases by 121.2%and the strain decreases by 58%comparingwith initial parameters，the safety coefficient is heightened，which provides design basis for the reliability and safety of the equipment.

Conventional island；Bolt stretcher；Blind nut；Cylinder block；Optimization

TH131

A

1001－3881(2014）10－045－3

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.013

2013－04－02

張澄東 (1977—），男，學士，高級工程師，從事電站鍋爐給水泵的設計與研發。E－mail:zhang-chengdong@hotmail.com。