有限元分析在沉箱式輻照裝置中的應用

高艷艷+李成業(yè)+常鐘澤

摘要：采用有限元分析法，借助有限元軟件，對1E級6.6kV籠式三相異步電動機輻照老化方案中沉箱式輻照裝置進行了有限元應力應變仿真模擬，分析計算了靜載荷條件下兩個裝置的整體應力應變分布和整體的危險部位。并對輻照裝置的設計改進進行了反復計算，提出了修改方案。并對沉箱式輻照裝置的流體分布進行了模擬，增加氣流分配器，對輻照裝置內部空氣流道進行了優(yōu)化。

關鍵詞：有限元；輻照裝置；壓力容器，COSMOSWorks

0 引言

沉箱式輻照裝置屬于1E級6.6KV籠式三相異步電動機輻照老化方案中最重要的一個設備，是承載需要輻照電機的壓力容器。由于所要輻照的電機定子與保存水池的空間限制，不能設計成承壓能力較好的圓筒形，只能為立方體形。該裝置屬于壓力容器，要對其進行嚴格的校核分析，并且最大化的節(jié)省材料和加工。

通過在設計中采用COSMOSWorks，可以更快、更簡單地設計出更好的產(chǎn)品。另外，SolidWorks可計算流體是如何穿過零件或裝配體模型的，可以找到設計中的問題區(qū)域，對零件進行改進。讓用戶在設計階段就能了解、驗證并改善新產(chǎn)品的設計。

1 輻照裝置箱體的有限元分析

1.1 設計校核所用準則

在壓力容器設計時，主要考慮了兩種失效理論：一是過量的彈性變形；另一個是由于過量的彈性變形而塑性失穩(wěn)，設計時通常假定彈性失效。

壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學響應，最可能發(fā)生的失效形式確定力學響應的限制值以判斷壓力容器能否安全使用是否獲得滿意的使用效果。

根據(jù)壓力容器的塑性失效準則，平板在承受彎矩時的最大應力為1.5時，整個截面才予屈服，因此由塑性失效準則得到平板構件按照彈性公式計算得到的最大應力不允許超過1.5。在選用材料為0Cr18Ni9時，因為其在工作溫度下35～45℃的屈服強度為190MPa，所以輻照裝置最大應力為280MPa。

首先用化工過程設備強度計算軟件SW6-98進行矩形界面殼體計算。從計算結果來看，如果該輻照裝置單純地使用鋼板焊接而成，在不考慮焊接與制造缺陷的情況下需要使用15.3mm厚的0Cr18aNi9鋼板。因此初步選用了20mm厚0Cr18aNi9加工制造該沉箱式輻照裝置。

1.2 三維模型的建立

輻照裝置模型的建立完全按照圖紙1：1建立，選用建模軟件為內嵌COSMOSWorks的SolidWorks軟件。

1.3 邊界條件和載荷的加載

該輻照裝置底部位于水下5.8m左右的位置，選擇輻照裝置底部為約束面，在輻照裝置四周以及上板部加載一個梯形分布的壓強。選擇輻照裝置頂端為坐標原點，豎直向下為坐標軸y軸，壓強隨著y軸的增大（即水深的加?。┒龃?，壓強公式為p=39200Pa+9800Pa×y。

1.4 網(wǎng)格的劃分

在所有的分析計算中均用COSMOSWorks以相同的設置進行有限元前處理。選擇的網(wǎng)格器為標準，取消自動過渡、單元環(huán)數(shù)選擇為3、單元大小因子選為0.8、公差因子為0.8、雅可比檢查菜單設定為4點。網(wǎng)格的大小均選為40mm。

1.5 結果的分析與方案的改進

利用COSMOSWorks的后處理功能，可以得到一個HTML或者DOC格式的報告，根據(jù)這個報告，我們可以看到整個裝置最大應力、撓度的大小和具體坐標，這個結果是在校核過程中最主要的用到的數(shù)據(jù)。

初始設計現(xiàn)命名為方案一，用20mm厚0Cr18Ni9鋼板焊接成一六面體，計算結果中可以看出方案一滿足使用要求，在方案一中最大撓度發(fā)生在輻照裝置四周板的中心部位附近，最大應力發(fā)生在四個90°折角邊線中心附近。

雖然方案一滿足我們的使用設計要求，但是由于全部由20mm厚0Cr18Ni9鋼板焊接而成，導致光0Cr18Ni9鋼板的材料費用就高達14萬元，因此我們需要尋求一個滿足設計使用要求，又能節(jié)省費用的最佳設計方案。

為了最大化節(jié)省開支，決定選用3mm厚0Cr18Ni9鋼板，這是預留出腐蝕余量后可以選用的最薄的鋼板。為了使其能達到設計使用要求，對其危險部位即四個側面分別加入6根間隔為200mm的橫向筋板，定義為方案二，然后對方案二的三維模型進行了相同設置的有限元分析，分析結果中可以看出方案二并不滿足我們的設計使用要求。在方案二的基礎之上又加入了6根橫向筋板，定義此方案為方案三。重新進行有限元計算，結果顯示方案三已經(jīng)基本滿足我們的設計使用要求，但是其最大應力為196MPa，與限制270MPa雖然還有一定的差距，但是在使用溫度為40℃情況下，0Cr18Ni9不銹鋼的屈服強度只有190MPa，在方案三中，雖然整個輻照裝置箱體整體未失效，但是局部已經(jīng)到達了屈服極限，存在一定的安全隱患，所以在方案三的基礎上又進一步的進行了加強，在輻照裝置內外表面應力應變最大的部位加平板加強，定義為方案四。方案四的有限元分析結果可以看出，方案四很好的滿足了我們的設計使用要求。將四種方案的有限元分析結果與成本匯總，通過對比可以看出，方案四的最大撓度與方案一相差不多，最大應力也滿足設計使用要求，但是成本卻便宜了一半，因此選擇方案四為最終加工方案。

2 輻照裝置內部氣流分析

2.1 模型的建立

因為1E級6.6kV籠式三相異步電動機輻照老化方案中廠家對輻照裝置的氣流和溫度控制提出了很高的要求，所以必須要對沉箱式輻照裝置中的氣流分配進行設計檢驗。

依次設置流質為空氣，入口位置為下部風管，出口位置為上部風管，進行分析計算。氣流主要集中在沉箱式輻照裝置的中央，氣體分配不均勻，最終變成中央到中央的直線對流，這是由于只有中央一個出口所導致的氣體流道集中，這樣一來就無法較好的實現(xiàn)換氣功能，中央和四周的溫度分布也會出現(xiàn)不均勻。

3 方案的改進

在初步方案的基礎之上，在輻照裝置底部加入一個氣流分配器，對空氣流向進行分配。

將改進后的輻照裝置模型利用流體分析軟件COSMOSFloXpress，可以得到，加入氣體分配器后，空氣在經(jīng)由管路進入輻照裝置后，在氣體分配器之下進行了合理的分布，然后比較均勻的進入之后的空腔，這證明了加入空氣分配器的合理性與正確性，也使得沉箱式輻照裝置能夠更好的實現(xiàn)用戶的要求。

4 結論

通過三維建模并進行有限元分析，對沉箱式輻照裝置的結構進行了優(yōu)化，選取了最大應力和撓度較小，并且成本小、符合設計制造要求的結構。沉箱式輻照裝置首次下水，成功通過了打壓試驗，并且在劑量場測量試驗中多次放入保存水池中，其變形量均符合要求，沒有出現(xiàn)漏水等不良現(xiàn)象。這么多次的試驗證明了沉箱式輻照裝置是符合設計輸入要求的。

通過對沉箱式輻照裝置內部氣流走向與速度進行分析，在原設計基礎上進行了改良，使得輻照裝置內部氣流分配均勻，能夠很好的滿足用戶要求。

參考文獻：

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