400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具可靠性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

林瑞進(jìn)，汪自祥，陳　楠，章宇慶

（中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州310052）

0　前言

核電轉(zhuǎn)子作為核電發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)子具有設(shè)計(jì)靈活、剛性好等優(yōu)點(diǎn)，但其制造技術(shù)要求也高。轉(zhuǎn)子焊接成型后一般都需要對(duì)其整體進(jìn)行焊后退應(yīng)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(yùn)輸過(guò)程中絕對(duì)安全可靠。根據(jù)JBT5253.2《汽輪機(jī)隨機(jī)專(zhuān)用工具技術(shù)條件轉(zhuǎn)子起吊工具》規(guī)定，轉(zhuǎn)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(wú)法通過(guò)鋼絲繩來(lái)實(shí)現(xiàn)起吊轉(zhuǎn)子，必須為其設(shè)計(jì)專(zhuān)用起吊吊具[1]。文中介紹了400T核電焊接轉(zhuǎn)子整體起吊翻身裝置[2]，可實(shí)現(xiàn)400T核電焊接轉(zhuǎn)子的自動(dòng)抓取、翻轉(zhuǎn)功能，解決了焊接轉(zhuǎn)子在焊接、熱處理及加工帶來(lái)諸多不方便問(wèn)題。

起吊架、翻轉(zhuǎn)盤(pán)及棘爪作為400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具的重要結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)可靠性直接影響著吊具的承載能力和安全性，在起吊過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)公式確定結(jié)構(gòu)主要尺寸，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，并按照彈性曲梁理論進(jìn)行驗(yàn)算，該方法對(duì)設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)化要求較高，模型簡(jiǎn)化不當(dāng)有可能導(dǎo)致危險(xiǎn)截面被忽略，且由于簡(jiǎn)化不明確，容易導(dǎo)致計(jì)算繁瑣。此外，采用這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，雖已知吊具使用工況和負(fù)載，但很難對(duì)其在設(shè)計(jì)階段就可全面了解吊具在工作過(guò)程中各部件的性能是否滿(mǎn)足使用要求及安全可靠性。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，有限元分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中起到了重要作用，利用有限元分析軟件以吊具進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，在完成實(shí)體建模后加載實(shí)際工況進(jìn)行有限元模擬分析，對(duì)吊具各部件應(yīng)力分布和形變情況作定性認(rèn)識(shí)，為吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)有效降低產(chǎn)品成本[3-5]。

本文采用有限元分析軟件，對(duì)400T核電焊接轉(zhuǎn)子吊具重要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行有限元分析建模，并賦予其物理特性，在外界負(fù)載作用下計(jì)算出各部件每一點(diǎn)的應(yīng)力大小，校核各部件是否滿(mǎn)足可靠性要求，同時(shí)對(duì)吊具提出優(yōu)化設(shè)計(jì)，這不僅保證了吊具在使用過(guò)程中的安全可靠性，同時(shí)也為吊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[6]。

1　起吊架有限元模型及分析

1.1　起吊架結(jié)構(gòu)模型

起吊架通過(guò)電動(dòng)插銷(xiāo)機(jī)構(gòu)連接著行車(chē)上W型吊鉤與翻轉(zhuǎn)盤(pán)，起吊架工作過(guò)程中可簡(jiǎn)化為2只吊點(diǎn)，載荷均勻分布，屬對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。起吊架整體采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（Q345-A）焊接而成，兩側(cè)面板作為起吊架至關(guān)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(guò)程中始終處于豎直狀態(tài)，承受400T載荷時(shí)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(guò)程中，主要考慮其自身的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)起吊架初步分析可知，其在軸承處的邊界條件對(duì)起吊架的應(yīng)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(jìn)行連接，以減小此處邊界條件對(duì)起吊架應(yīng)力分布的影響；同時(shí)考慮到起吊架是一個(gè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，僅對(duì)起吊架的一部分進(jìn)行建模分析。整個(gè)模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共有8.2萬(wàn)個(gè)單元，10.6萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。具體模型如圖2所示，材料特性見(jiàn)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(yīng)用ANSYS有限元分析，施加載荷和邊界條件時(shí)考慮起吊架最不利工況，即起吊架承受400T時(shí)為最不利工況，具體邊界條件見(jiàn)圖3.

圖3　起吊架邊界條件

1.3　計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)模型的有限元分析，可計(jì)算得到起吊架的應(yīng)力分布圖，具體見(jiàn)圖4.

圖4　起吊架總體應(yīng)力分布

1.4　結(jié)論

通過(guò)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(yīng)力都處于較低水平。起吊孔最大應(yīng)力為166 MPa，拐角處為125 MPa，雖應(yīng)力較大，但應(yīng)力梯度很大，高應(yīng)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(zhuǎn)子吊具的重要部件，工作過(guò)程中需承受400T的載荷，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡力提高其安全可靠性。

1.5　優(yōu)化設(shè)計(jì)

起吊架最大應(yīng)力出現(xiàn)在起吊孔及拐角處，為了降低最大應(yīng)力，可通過(guò)增加兩側(cè)面板的厚度，及增加加強(qiáng)筋板或者采用屈服強(qiáng)度更高的材料等方法。本文對(duì)起吊架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要為兩側(cè)面板厚度δ50 mm增加為δ70 mm，同時(shí)優(yōu)化兩側(cè)面板內(nèi)加強(qiáng)筋板的位置，具體見(jiàn)圖5所示。

圖5　起吊架優(yōu)化后物理模型

通過(guò)對(duì)上述優(yōu)化后的起吊架模型重新進(jìn)行有限元分析，可計(jì)算得到起吊架的應(yīng)力及相應(yīng)位置，具體見(jiàn)圖6～圖8所示。

圖6　總體應(yīng)力分布

圖7　內(nèi)部應(yīng)力分布圖

圖8　位移分布圖

從上述表2的起吊架前后設(shè)計(jì)結(jié)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(shè)計(jì)比較

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

2　翻轉(zhuǎn)盤(pán)和棘爪有限元模型及分析

2.1　翻轉(zhuǎn)盤(pán)和棘爪結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)對(duì)翻轉(zhuǎn)盤(pán)初步的有限元計(jì)算分析可知，在棘爪抓取400T核電焊接轉(zhuǎn)子起吊過(guò)程中，棘爪縮緊最小距離為940 mm時(shí)翻轉(zhuǎn)盤(pán)處于最不利工況。為提高計(jì)算精度，減少因模型簡(jiǎn)化而帶來(lái)的誤差，對(duì)軸、翻轉(zhuǎn)盤(pán)、棘爪同時(shí)進(jìn)行建模；同時(shí)考慮到翻轉(zhuǎn)盤(pán)的受力及模型具有對(duì)稱(chēng)性，為減少計(jì)算量，僅對(duì)1/2模型進(jìn)行有限元分析。

軸、翻轉(zhuǎn)盤(pán)和棘爪的1/2物理模型如下圖9，有限元模型如圖10，整個(gè)模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共有14.15萬(wàn)個(gè)單元，17.3萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，材料特性見(jiàn)表3.

圖9　翻轉(zhuǎn)盤(pán)和棘爪物理模型

圖10　翻轉(zhuǎn)盤(pán)和棘爪有限元模型

表3　翻轉(zhuǎn)盤(pán)和棘爪材料特性

2.2　邊界條件

當(dāng)棘爪之間的距離為940 mm，承受400 T重力時(shí)為最不利工況，此時(shí)邊界條件見(jiàn)圖11，其中軸與翻轉(zhuǎn)盤(pán)之間、棘爪與翻轉(zhuǎn)盤(pán)之間使用接觸條件。

圖11　翻轉(zhuǎn)盤(pán)和棘爪邊界條件

2.3　計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)有限元分析，可計(jì)算得到翻轉(zhuǎn)盤(pán)、棘爪的應(yīng)力分布及相應(yīng)的位移。具體見(jiàn)圖12～圖14.

圖12　翻轉(zhuǎn)盤(pán)總體位移分布

圖13　翻轉(zhuǎn)盤(pán)應(yīng)力分布

圖14　棘爪應(yīng)力分布

2.4　結(jié)論

通過(guò)上述翻轉(zhuǎn)盤(pán)和棘爪有限元模型分析，翻轉(zhuǎn)盤(pán)在最不利工況時(shí)的總體應(yīng)力水平較低，翻轉(zhuǎn)盤(pán)在軸承處的應(yīng)力為88.5 MPa，最大應(yīng)力為190.2 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度295 MPa，且從最大應(yīng)力處的應(yīng)力分布看，除局部位置的應(yīng)力處于較高水平，其余部分的應(yīng)力水平較低，有較大的安全余度；從棘爪應(yīng)力分布可以看出，棘爪的平均應(yīng)力約為38 MPa，最大應(yīng)力為124 MPa，從應(yīng)力部分還可以看出，棘爪最大應(yīng)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(zhuǎn)盤(pán)和棘爪的設(shè)計(jì)是安全可靠的。

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用有限元分析方法，對(duì)400T核電焊接轉(zhuǎn)子起吊吊具各重要部件的受力情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，并按照有限元分析結(jié)果對(duì)起吊吊具的安全性做出判斷，有效保證了產(chǎn)品的安全可靠性。該設(shè)備于2015年投入順利投入使用，至今未出現(xiàn)故障。如圖15所示。

圖15　實(shí)例