基于有限元法的除氧器壓力調節閥抗沖擊性能分析

閆玉曦，李 仲，李曉強

(中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201317)

隨著海軍對艦艇抗沖擊性能的日益重視，艦艇設計中必應考慮除了靜載荷和動載荷外的另一種載荷，即沖擊載荷。大量的實戰戰例和試驗情況表明，水下近距離的爆炸對船舶造成沖擊后，通常很難使船體結構出現破口，然而其沖擊作用遍及整船，可能會造成內部許多管路系統和設備的破壞[1-2]。因此，水下非接觸爆炸引起的沖擊對于艦船設備具有更大的威脅[3]。

艦艇管路系統對沖擊載荷的作用十分敏感，遭受沖擊載荷后會引起管路系統變形過大或局部應力過大造成損壞。閥門作為管路系統的主要設備，由于其結構尺寸大，重心分布高，更容易受到沖擊載荷的影響，造成失效[4-5]。

本文分析的除氧器壓力調節閥作為控制除氧器內部壓力的關鍵設備，其調節精度要求較高，因此采用直通式截止閥形式閥體和套筒式節流內件。該閥門能夠精確調節補充到除氧器中的加熱蒸汽量，從而實現控制除氧器內部壓力的功能。

本文采用時域分析法對除氧器壓力調節閥進行抗沖擊性能分析[6-9]，以考察該設備在沖擊載荷作用下的安全性，為進一步優化設計打下基礎。

1 抗沖擊理論計算

調節閥本體及執行機構其抗沖擊指標值參照GJB 1060.1—1991《艦船環境條件要求 機械環境》中5.7.2.1進行設計選取；在不考慮隔振裝置(單級、雙級、浮筏等)時滿足規定的沖擊環境，對應的沖擊加速度設計值Aa和速度設計值Va見表1。

表1 設備的沖擊設計值

表1中相關參數可根據GJB 1060.1—1991中5.7.2.1的規定按如下公式計算：

(1)

(2)

式中，ma是系統設備的模態質量，單位為t。

沖擊設計加速度Vaωa取與Aa中的小值為動力學分析系統在給定方向上的沖擊設計加速度，其中，ωa是模態質量ma所對應的振動模態圓頻率，單位為rad/s。

沖擊后不允許產生永久變形或允許有微小永久變形的設備或基座應選用彈性設計，對變形要求嚴格的零部件應選用彈性設計計算變形量，設備的固定件為定位件，均應選用彈性設計確定其沖擊載荷，設備抗沖擊計算基本要求見表2。

表2 設備抗沖擊計算基本要求

2 除氧器壓力調節閥抗沖擊分析

2.1 網格劃分

除氧器壓力調節閥采用直通型截止閥形式閥體結構，主要由閥門本體、執行機構等聯合附件組成，其中閥門本體主要由閥體、閥座、閥蓋、連接件和閥桿等組成。對模型進行簡化處理，去除結構內較小的圓角、倒角。采用綁定約束模擬閥蓋與閥體之間、執行器與支架之間、支架與閥蓋之間的連接關系。采用全局自動接觸算法模擬部件之間在沖擊中可能發生的接觸，全部采用三維實體單元劃分計算網格[10]。除氧器壓力調節閥有限元模型如圖1所示。

圖1 除氧器壓力調節閥有限元模型

除氧器壓力調節閥關鍵零部件有限元模型如圖2所示。

2.2 約束條件和邊界條件

沖擊載荷以加速度邊界條件的形式加載在閥體兩側法蘭位置，邊界條件施加位置如圖3所示。

a) 閥體

b) 套筒

c) 閥蓋

d) 閥芯

e) 閥桿

f) 支架

圖3 邊界條件施加位置

2.3 材料屬性

除氧器壓力調節閥主要部件的材料屬性見表3。

表3 閥門主要部件材料屬性

2.4 沖擊載荷與校核算法

根據GJB 1060.1—1991《艦船環境條件要求 機械環境》規定的基礎沖擊輸入，除氧器壓力調節閥屬于水面艦船船體安裝部位的設備，要求進行彈性設計。設備總重約為3.39 t(ma)，按式1和式2確定的沖擊設計值(見表4)。沖擊方向相對船體而言，縱向為船長度方向，垂向為船高度方向，橫向為船寬度方向。

表4 沖擊速度和加速度設計值

分析的設備包含復雜的接觸關系和豐富的材料非線性，因此選擇時域分析法，采用半正弦加速度沖擊輸入，波形面積應與表4中沖擊速度設計值Va相等。選定沖擊脈寬為4 ms，加速度峰值由式3計算得到。

(3)

除氧器壓力調節閥的加速度沖擊輸入參數見表5。

表5 除氧器壓力調節閥加速度沖擊載荷參數

載荷加載歷程曲線如圖4所示。

圖4 加速度沖擊波形

應用通用有限元分析軟件Abaqus/Explicit對除氧器壓力調節閥進行加速度沖擊的顯式動力學計算。

3 結果分析

除氧器壓力調節閥在各向沖擊下應力危險區域見表6。

表6 除氧器壓力調節閥沖擊應力響應 (MPa)

應力云圖如圖5所示。

分析結果表明：除氧器壓力調節閥在承受縱向沖擊脈沖(X方向)、垂向沖擊脈沖(Y方向)、橫向沖擊脈沖(Z方向)時，垂向沖擊引起結構應力變化最明顯，表面垂向沖擊最危險，但在3個方向施加沖擊載荷后，結構均未發生屈服或永久變形，表面整體結構抗沖擊性能符合要求。本文通過理論計算和有限元分析驗證相結合的方法對調節閥關鍵零部件進行結構強度與抗沖擊性能研究，仿真結果與理論計算作對比驗證了所得數據的有效性和準確性，為進一步研究閥門使用壽命奠定了基礎。