新型抗沖擊波閥實驗與數值分析研究

汪正洪，楊 光，王 飛，宋天濤，徐世林，劉 亞

(1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518172;2.江蘇爵格工業集團有限公司，江蘇 鹽城 224100)

隨著國家對于清潔能源重視程度的提高，新建核電廠項目也日益增多，在核電廠設計中如何保證安全是重中之重。抗沖擊波閥主要安裝于建筑新風入口及排風出口，在正常情況下起到內外空氣流通的作用，在爆炸發生時能夠快速地將沖擊波阻隔在外，保護人員及設備的安全[1]。

國內對于抗沖擊波閥的研究起步較晚，許多項目的抗沖擊波閥還依賴進口，針對于該類閥門的試驗與數值研究也比較少，公開發表的文獻也有限。張睿[2]在對Ventex隔爆閥的研究中，分別進行了實驗測試和數值模擬分析，并比較了兩者結果的差異，對改善閥芯屈曲強度方面提出了新的建議。吳益曉[3]等則針對彈簧式速關阻爆閥進行了數值模擬分析，得到了阻爆閥受沖擊關閉的全響應過程，并分析了閥板的運動響應要素(如速度、加速度)及強度響應要素(應力、應變)。

與TNT爆炸情況相比，核電廠設計爆炸荷載的超壓峰值較小，但正壓作用時間很長，本文中抗沖擊波閥的設計沖擊波壓力為不小于20 kPa，持續時間不小于300 ms，所以如何保證抗沖擊波閥在設計載荷下能夠快速關閉并能抵抗長時間荷載作用，是抗沖擊波閥的設計要點。另外，能否在實驗中制造出滿足設計荷載要求的實驗沖擊波，也是整個設計過程中的難點。本文針對一款新型抗沖擊波閥，采用高壓空氣系統激波管制造不低于設計荷載的沖擊波，并對樣機進行了5組沖擊試驗，考察其關閉時間、結構變形等響應參數。同時應用有限元軟件進行試驗工況的數值分析，并將數值分析結果與實驗結果進行對比，驗證數值分析方法的精確性與可行性，為同類抗沖擊波閥的設計提供了參考。

1 抗沖擊波閥設計

本文中的抗沖擊波閥應用于核電站核島通風系統，安裝在進風口、排風口、排煙口等需要通風的墻體洞口上。

平時閥芯處于常開狀態，保持正常進風和排風。當外界發生爆炸產生沖擊波時閥門會瞬間關閉，將沖擊波阻擋在外，保護室內的設備和人員安全；當沖擊波消失后，在彈簧的作用下，閥葉自動復位恢復常開狀態，保持正常通風。

抗沖擊波閥三維模型見圖1。

圖1 抗沖擊波閥三維模型Fig.1 The 3D model of shock resistant valve

抗沖擊波閥的結構強度等級參考美國ASTM F2927-12[4]抗爆門等級要求，本文設計的抗沖擊波閥按照損傷等級類別II要求設計。

抗沖擊波閥關閉壓力須保證在正常通風情況下或者常見風荷載下不能關閉，在沖擊波荷載作用下瞬間關閉，本文抗沖擊波閥關閉壓力為2.5 kPa。

抗沖擊波閥關閉時間受閥葉關閉力和閥葉質量影響，設計關閉時間10 ms。

抗沖擊波閥主要參數，見表1。

表1 抗沖擊波閥主要參數Table 1 Main parameters of shock resistant valve

2 抗沖擊波實驗

2.1 實驗內容及目的

為保證抗沖擊波閥具備足夠的抗沖擊強度，要求作用于抗沖擊波閥試件上的沖擊波壓力不低于20 kPa并不少于300 ms持續時間。依照上述要求，共進行五組實驗，每組入射超壓及持續時間均不低于要求值，并記錄實際的閥前峰值壓力與關閉時間。

2.2 實驗測試系統

抗沖擊波閥的抗爆性能實驗測試系統：即采用高壓空氣系統激波管模擬沖擊波的測試系統。該系統是由高壓空氣系統、壓力管道、泄壓裝置、壓力傳感器和數據記錄系統等組成，詳見圖2。

圖2 實驗測試系統示意圖Fig.2 The schematic of experimental test system

2.3 數據記錄分析系統

(1)動態信號分析儀：傳輸速率—3.2 MS/s；測試通道—16通道；采樣頻率—1 MHz/ch；分辨率—18 bit。

(2)傳感器：美國PCB公司ICP壓力傳感器102 B。

(3)高速攝像機：英國iX公司i-SPEED713

2.4 實驗方案

激波管由高壓空氣段，泄壓裝置，空氣膨脹段組成，抗沖擊波閥安裝于空氣膨脹段。高壓空氣段中高壓氣體在泄壓裝置開啟時高速沖入空氣膨脹段，形成壓力波。閥前安裝動態壓力傳感器測量作用于抗沖擊波閥上的沖擊波峰值壓力和時間。測試裝置和閥門及傳感器安裝分別見圖3和圖4。

圖3 測試裝置Fig.3 Testing devices

圖4 傳感器連接Fig.4 Connection of sensors

2.5 實驗結果

2.5.1 壓力—時間曲線

安裝抗沖擊波閥后，共進行5組不同入射超壓值的實驗，各組實驗入射沖擊波超壓、對應閥前壓力和作用時間以及關閉時間見表2。

表2 沖擊波閥實驗測試參數Table 2 Experimental test parameters of shock wave valve

可以看出，第四組實驗的荷載與設計荷載20 kPa最為接近，其入射及閥前壓力曲線分別見圖5和圖6。

圖5 入射壓力曲線Fig.5 The curve of incident pressure

圖6 閥前反射壓力曲線Fig.6 The curve of reflection pressure in front of valve

2.5.2 樣機形態

抗沖擊波閥靜沖擊波荷載作用后，正反面均未發現任何變形，閥葉能夠正常自由開啟和關閉，動作流暢無卡殼現象，實驗后閥門見圖7。

圖7 試驗后閥門形態Fig.7 Shape of valve after test

3 數值模擬

爆炸工況下的結構響應具有時間短、變形大的特點，屬于時域分析的范疇，需要得到不同時刻下構件的位置、狀態及各種力學參數。目前通用的方法是應用有限元軟件對構件建模并采用顯示動力積分方法進行加載與計算。

本文應用Altair_Hypermesh軟件對抗沖擊波閥建立有限元模型，并應用LS-DYNA軟件進行抗沖擊波閥在實驗爆炸沖擊波作用下的響應計算。

3.1 計算模型

為保證計算結果的可靠性，有限元計算模型由實驗樣機圖紙原尺寸建立，采用3D實體單元建模，沿厚度方向布置至少兩層網格，網格尺寸為1～3 mm，模型共包含約18萬個單元，25萬個節點。

模型中，安裝板與閥體、閥體與閥葉、閥葉與平衡軸、閥體與安裝擋板、安裝擋板與安裝板、壓條與安裝板之間均按實際情況采用CONTACT_AUTOMITAC_FURFACE_TO_SURFACE摩擦接觸設置連接。彈簧安裝版實際是通過幾根螺釘與閥體固定，模型中忽略螺釘，將實際固定位置處的節點通過CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE與閥體綁定連接。實驗過程中，為防止閥體滑動，抗沖擊波閥樣機用兩端的安裝擋板進行約束，并通過螺栓拉緊。模型中，安裝擋板與閥體之間按照實際情況依然采用CONTACT_AUTOMITAC_FURFACE_TO_SURFACE摩擦接觸設置連接，在安裝擋板模型實際位置處開孔并設置1D梁單元依次穿過安裝擋板、閥體、安裝板、壓條，并將梁單元兩端與安裝擋板、壓條設置MPC連接，施加預緊力，達到模擬螺栓壓緊的效果。由于閥葉上下兩面放置同樣規格的彈簧，兩側彈簧預緊力較小且方向相反，可以相互抵消，所以模型中不考慮彈簧預緊力。

抗沖擊波閥有限元模型示意見圖8。

該抗沖擊波閥構件材料分為兩種：平衡軸、彈簧安裝板采用316L不銹鋼；安裝擋板、閥葉、閥體均采用6063鋁合金，螺栓采用8.8級高強螺栓。兩種材料均選用彈塑性動力模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[5]，該材料基于雙線性應力應變關系曲線，能夠較好地考慮材料在達到屈服極限之后的塑性延伸及強化效應。抗沖擊波閥材料參數如表3所示。

表3 抗沖擊波閥材料參數[5]Table 3 Material parameters of shock resistant valve

由于抗沖擊波閥受到的反射超壓曲線已由實驗測試得到，所以采用荷載曲線的方式進行加載，將樣機閥前壓力時程曲線作為DEFINE_CURVE的荷載輸入，通過SET_SEGMENT選取閥葉及閥體受力面。

3.2 計算結果

3.2.1 閥體響應過程

抗沖擊波閥測試共分5組，其中第四組實驗的入射超壓為27.7 kPa，與設計超壓最為接近，其閥前超壓為55.7 kPa，作用時間為1.213 s，所以選取該組超壓時程曲線作為有限元計算的工況荷載。

首先觀察抗沖擊波閥在受到目標荷載作用下的響應過程，考察閥葉的速度時程曲線以及幾個關鍵時間點的位置信息，如圖9所示。

圖9 閥葉上不同位置節點的垂向速度時程曲線Fig.9 Vertical velocity time-history curve of nodes at different positions on the valve blade

閥體響應過程如圖10所示，整個響應過程可以描述為：在抗沖擊波閥從0 ms時刻開始受到沖擊波作用之后開始均加速下降，在3.2 ms左右時刻撞擊到閥體下表面，之后有短暫的震蕩，速度隨著時間不斷衰減直至接近于零，10 ms時刻之后閥葉與閥體幾乎無相對運動，閥葉完全貼合在閥體下表面。整個過程可以視為從3.2 ms時刻閥葉即已經關閉，之后能夠穩定地完成阻隔沖擊波向閥后泄漏的功能。

實驗中，整個抗沖擊波閥的響應過程也基本和模擬過程一致，實驗觀測的關閉時間為3.0 ms，也與模擬結果比較接近。

3.2.2 抗沖擊波閥結構強度

前文所述，實驗后對樣機進行觀察，結構并無變形，強度能夠滿足要求。本節考察抗沖擊波閥有限元模型閥葉及閥體的等效應力及塑性應變結果。抗沖擊波閥的最大等效應力發生在碰撞的瞬間，如圖11所示，而塑性應變屬于累積結果，直接觀察系統穩定后的數值即可，如圖13。閥體、閥葉及平衡軸單元等效應力時程曲線如圖12所示。

從應力云圖和時程曲線中可以看出，在閥葉關閉瞬間，由于高速沖擊而產生了高應力，而最大值小于材料的屈服強度，隨著震蕩不斷衰減，應力值也迅速減小直至穩定值。該過程也和抗沖擊波閥的響應過程吻合，撞擊時產生高應力峰值，當閥葉穩定關閉時應力趨于平衡值。

而從塑性應變云圖中可以看出由于碰撞產生的高應力并沒有超過材料屈服強度，所以并無單元發生塑性應變，且隨著震蕩過程不斷衰減，預計在剩余作用時間里也不會有塑性應變產生。

所以，該模型計算結果同樣符合“正反面均未發現任何變形，閥葉能夠正常自由開啟和關閉”的實驗觀察結論。

圖10 閥體響應過程Fig.10 The response process of the valve body

圖11 抗沖擊波閥等效應力云圖(3.2 ms時刻)Fig.11 The equivalent stress cloud diagram of shock resistant valve (3.2 ms)

圖12 閥體、閥葉及平衡軸單元等效應力時程曲線Fig.12 The equivalent stress time-history curve of the valve body,valve blade and balance shaft unit

圖13 抗沖擊波閥等效塑性應變云圖(20 ms時刻)Fig.13 The equivalent plastic strain cloud diagram of shock resistant valve (20 ms)

4 結論

本文通過對一新型抗沖擊波閥的實驗研究與數值計算，一方面驗證了其基本功能及強度指標，一方面檢驗現有計算方法的可行性與準確性。對比實驗與數值計算的結果，得到結論如下：

1)實驗中，在5組不同超壓及持續時間的沖擊波作用下，抗沖擊波閥樣機正反面均未發現任何變形，閥葉能夠正常自由開啟和關閉。

2)選取5組實驗測試結果中最危險的沖擊波作為數值計算的目標工況，在該工況下，試驗樣機模型關閉時間和實驗測試值接近，并且整個響應過程與實驗觀測過程一致。

3)在相同工況下，試驗樣機模型的數值計算結果表明，該樣機抗沖擊強度良好，在沖擊波作用下產生的塑性應變為零，和實驗觀測狀態一致，說明該數值分析方法與實驗貼合度較好，精確度較高，可以作為該類抗沖擊波閥設計時的合理途徑。