基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于閥門結(jié)構(gòu)性能評估技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]核一級超設(shè)計基準泄壓閥是當(dāng)事故發(fā)生時影響反應(yīng)堆安全的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用在于:當(dāng)發(fā)生嚴重事故時，能夠在壓力容器失效之前及時進行泄壓，以避免高壓熔堆事故的產(chǎn)生。超設(shè)計基準泄壓閥工作壓力大，工作溫度高，工作環(huán)境惡劣。閥門在遇到高溫介質(zhì)瞬間，由于承壓部件具有較大壁厚，當(dāng)傳熱不夠充分時內(nèi)外壁會存在較大的溫差，由此產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力，導(dǎo)致承壓部件幾何尺寸突變區(qū)域的外部產(chǎn)生裂縫。同時，由于受高溫介質(zhì)影響，閥門各部件還會發(fā)生熱膨脹，由于閥門各部件的結(jié)構(gòu)及材料熱性能參數(shù)不同，在熱負荷作用下產(chǎn)生的熱變形并不一致，將導(dǎo)致閥門各部件之間的間隙發(fā)生顯著變化，造成卡阻。
[0003]因此，在閥門前期開發(fā)過程中，精確計算熱載荷及其效應(yīng)，準確預(yù)測閥門在高溫工況下的結(jié)構(gòu)性能是高溫閥門設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
[0004]由于高溫閥門設(shè)計領(lǐng)域缺乏先進的閥門設(shè)計技術(shù)，在業(yè)內(nèi)，設(shè)計高溫閥門時，通常按照技術(shù)要求在參考常規(guī)閥門基礎(chǔ)上大致確定閥門結(jié)構(gòu)及各部件的幾何設(shè)計參數(shù)，之后按照傳統(tǒng)經(jīng)驗公式進行計算校核，再結(jié)合經(jīng)驗確定最終的閥門設(shè)計參數(shù)。
[0005]經(jīng)業(yè)內(nèi)慣用的，憑經(jīng)驗并借助閥門常規(guī)設(shè)計來確定閥門設(shè)計參數(shù)的閥門設(shè)計方案所得的閥門設(shè)計參數(shù)預(yù)測結(jié)果與真實情況的偏差較大，預(yù)測準確性不高，其在高溫閥門設(shè)計領(lǐng)域的參考價值不大。此外，這種閥門設(shè)計需要進行反復(fù)試驗，成本高，周期長，且樣機試制成本高，會造成一些不必要的浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于:針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種通過模擬高溫閥門運行環(huán)境，在閥門高溫工況下模擬計算獲得結(jié)構(gòu)強度性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性及質(zhì)量均符合規(guī)定要求的閥門所需的閥門設(shè)計參數(shù)，且能夠大大降低樣機試制成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法及系統(tǒng)。
[0007]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法，該方法包括如下步驟:
[0008]以閥體的流道中心為原點，建立閥門三維幾何模型；
[0009]應(yīng)用有限元分析軟件對該閥門三維幾何模型進行網(wǎng)格化處理；
[0010]基于經(jīng)網(wǎng)格化處理的閥門三維幾何模型模擬計算該閥門隨溫度變化的溫度場以及該閥門承壓部件受溫度載荷的熱應(yīng)力場；
[0011]計算該閥門承壓部件受到溫度載荷及機械載荷共同作用時的總熱應(yīng)力及局部熱應(yīng)力，根據(jù)熱應(yīng)力計算結(jié)果并參考規(guī)定的高溫閥門結(jié)構(gòu)強度設(shè)計標準對該閥門結(jié)構(gòu)性能狀況作出評估。
[0012]本發(fā)明還提供有一種基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0013]閥門三維幾何模型構(gòu)建模塊，用于以閥體的流道中心為原點，建立閥門三維幾何豐旲型;
[0014]網(wǎng)格化處理模塊，用于應(yīng)用有限元分析軟件對該閥門三維幾何模型進行網(wǎng)格化處理；
[0015]閥門溫度場計算模塊，用于基于經(jīng)網(wǎng)格化處理的閥門三維幾何模型，模擬計算該閥門隨溫度變化的溫度場；
[0016]閥門熱應(yīng)力場計算模塊，用于根據(jù)該閥門隨溫度變化的溫度場模擬計算該閥門承壓部件受溫度載荷的熱應(yīng)力場；以及
[0017]閥門結(jié)構(gòu)性能評估模塊，用于計算該閥門承壓部件受到溫度載荷及機械載荷共同作用時的總熱應(yīng)力及局部熱應(yīng)力，根據(jù)熱應(yīng)力計算結(jié)果并參考規(guī)定的高溫閥門結(jié)構(gòu)強度設(shè)計標準對該閥門結(jié)構(gòu)性能狀況作出評估。
[0018]—方面，通過實施本發(fā)明基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法及系統(tǒng)，不僅能夠獲得較高的閥門溫度及熱應(yīng)力計算精度，還能在閥門初步設(shè)計階段就能獲得整個閥門的溫度及熱應(yīng)力分布的詳細信息，根據(jù)閥門溫度及熱應(yīng)力分布的詳細信息對高溫工況下的閥門結(jié)構(gòu)性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性進行準確評估，判斷閥門承壓部件的結(jié)構(gòu)強度是否達到規(guī)定的產(chǎn)品設(shè)計要求，以此排查可能存在故障隱患的閥門，排除閥門在高溫工況下運行可能存在的安全隱患，防止閥門出現(xiàn)彈性失效，局部失效以及結(jié)構(gòu)卡阻，提高閥門的運行安全性，進而提高核電廠運行的安全性。
[0019]另一方面，本發(fā)明還可基于反復(fù)執(zhí)行上述閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法所測的閥門變形量對閥門進行多次改良及優(yōu)化設(shè)計，直至獲得結(jié)構(gòu)性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性均達到優(yōu)質(zhì)閥門產(chǎn)品要求的閥門設(shè)計參數(shù)。因此，本發(fā)明可以通過建模計算得到結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)強度可靠的高品質(zhì)閥門所需的閥門設(shè)計參數(shù)，可提高核電廠運行的安全性，同時減少樣機試制成本，縮短閥門產(chǎn)品研發(fā)周期。同時減少樣機試制成本，節(jié)省樣機試驗的成本，縮短閥門產(chǎn)品研發(fā)周期。
【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法及系統(tǒng)進行詳細說明，其中:
[0021]圖1為本發(fā)明第一個較佳實施例提供的基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法的流程圖；
[0022]圖2為圖1中包含的高溫閥門溫度場及熱應(yīng)力場計算方法的流程圖；
[0023]圖3為圖1中包含的高溫閥門整體結(jié)構(gòu)性能評估方法的流程圖；
[0024]圖4為圖1中包含的高溫閥門局部結(jié)構(gòu)性能評估方法的流程圖；
[0025]圖5為本發(fā)明第二個較佳實施例提供的基于高溫閥門受壓變形結(jié)果的高溫閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計改良方法的流程圖；
[0026]圖6為本發(fā)明第三個較佳實施例提供的基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0027]圖7為圖6所示的閥門溫度場計算模塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖8為圖6所示的閥門結(jié)構(gòu)性能評估模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的發(fā)明目的、技術(shù)方案及其技術(shù)效果更加清晰，以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書中描述的【具體實施方式】僅僅是為了解釋本發(fā)明，并非為了限定本發(fā)明。
[0030]針對現(xiàn)有技術(shù)中只能在參考常規(guī)閥門基礎(chǔ)上大致確定閥門結(jié)構(gòu)及各部件的幾何設(shè)計參數(shù)，通過反復(fù)試驗對超設(shè)計基準泄壓閥在高溫工況下的結(jié)構(gòu)性能進行預(yù)測，成本高，周期長，且造成不必要的浪費的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出了一種可解決上述技術(shù)缺陷的基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法。下面以超設(shè)計基準泄壓閥為例，對本發(fā)明基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法進行具體說明:
[0031]如圖1所示，該方法包括以下步驟:
[0032]S100、以閥門的流道中心為原點，建立閥門三維幾何模型。閥門部件包括閥體、閥蓋、支架、閥桿、閥瓣、連接螺栓以及必要的內(nèi)部件。該閥門三維幾何模型的坐標系采用直角坐標系，坐標系的原點在閥體的流道中心，YZ平面應(yīng)與閥體的對稱面重合。
[0033]S200、應(yīng)用有限元分析軟件對該閥門三維幾何模型進行網(wǎng)格化處理。在該步驟S200中，將有限元軟件的幾何處理模塊導(dǎo)入閥門三維幾何模型，進行幾何體的規(guī)則剖分、幾何細節(jié)清理與簡化。對幾何體結(jié)構(gòu)中非重點關(guān)注或應(yīng)力、變形較小的區(qū)域，如影響網(wǎng)格劃分的小孔、倒角、圓角、尖細面等特征刪除。網(wǎng)格劃分以六面體為主的混合單元，閥門整體模型各部件之間的聯(lián)接主要通過網(wǎng)格節(jié)點連接，建立接觸對的方法進行處理。
[0034]S300、基于經(jīng)網(wǎng)格化處理的閥門三維幾何模型模擬計算該閥門隨溫度變化的溫度場以及該閥門承壓部件受溫度載荷的熱應(yīng)力場。在步驟S300中，在與高溫介質(zhì)接觸的閥體內(nèi)腔及其它內(nèi)部件表面施加高溫，考察閥門的溫度場分布情況，對閥門進行瞬態(tài)熱分析。在閥門熱應(yīng)力計算環(huán)節(jié)，將閥門溫度場結(jié)果作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)分析模型，主要考察高溫對閥門結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的影響。由于直接在閥體進出口端面施加全約束，會在閥體兩端面及其附近產(chǎn)生高達幾千MPa的熱應(yīng)力，這與實際不符。故在本實施例中，不考慮位移邊界條件，而采用慣性釋放技術(shù)，把閥門視為等效自由體進行求解。
[0035]S400、計算該閥門承壓部件受到溫度載荷及機械載荷共同作用時的總熱應(yīng)力及局部熱應(yīng)力，根據(jù)熱應(yīng)力計算結(jié)果并參考規(guī)定的高溫閥門結(jié)構(gòu)強度設(shè)計標準對該閥門結(jié)構(gòu)性能狀況作出評估。在步驟S400中，需要考慮壓力等機械載荷，計算閥門承壓部件受到溫度載荷和機械載荷共同作用時的總應(yīng)力。較佳地，先對閥門施加包括最大壓力為17.23MPa、關(guān)閉扭矩為2000N.m、螺栓預(yù)緊力為35000N和24000N的機械載荷，再進行熱固耦合計算。
[0036]由上可知，應(yīng)用本發(fā)明基于閥門仿真模型的高溫閥門結(jié)構(gòu)性能評估方法，不僅能夠獲得較高的閥門溫度及熱應(yīng)力計算精度，還能在閥門初步設(shè)計階段就能獲得整個閥門的溫度及熱應(yīng)力分布的詳細信息，根據(jù)閥門溫度及熱應(yīng)力分布的詳細信息對高溫工況下的閥門結(jié)構(gòu)性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性