核电常规岛用超高液压螺栓拉伸器关键结构的数值分析

张澄东，浦琪琦，张江涛，李萍

(上海电力修造总厂有限公司，上海 201316）

核电常规岛用超高液压螺栓拉伸器关键结构的数值分析

张澄东，浦琪琦，张江涛，李萍

(上海电力修造总厂有限公司，上海 201316）

针对核电常规岛用螺栓拉伸器具有超高压、超小空间作业工况的特性，提出一种基于数值分析与实验相接合的设计方法，运用ANSYS软件对螺栓拉伸器关键结构——缸体与螺帽进行有限元校核，并与测定的应变实验数据进行对比；同时分析参数Rm、D对螺帽结构的优化特性。研究结果表明:初设的缸体强度和刚度满足材料的要求，但螺帽在“L型”截面拐点处出现“负”安全系数；优化螺帽结构尺寸，当Rm=8 mm，D=60 mm时与初设参数相比应力减小了121.2%，应变减小了58%，安全系数得到极大提高，这为该设备的可靠性和安全性提供了设计依据。

常规岛；螺栓拉伸器；螺帽；缸体；优化设计

随着核电技术的不断发展，核电设备装配中大型的螺栓联接起着至关重要的作用。传统上常用力矩扳手法和螺栓加热法来预紧大螺栓，此方法易对设备、螺栓及密封材料产生损伤，而且预紧力不均匀会造成设备间的泄漏及联接件变形，无法满足质检严格的核电事业要求［1－3］。目前世界上核电站广泛运用先进的液压拉伸预紧技术，它具有紧固精度高、结构紧凑、安全经济等优点。某公司自主研发的核电用超高液压拉伸器为常规岛给水泵设备配套的重要专用工具之一，它不仅承担着常规岛给水泵安装、拆卸时设备主螺栓上的拉伸预紧，而且具有螺帽快速旋紧、松开的功能［4］。螺栓拉伸器的设计是否合理、安全与可靠，直接影响设备的装配质量和使用效果。文中利用ANSYS对拉伸器关键结构的安全性、可靠性进行探讨，为研制核电用特定超高液压螺栓拉伸器提供技术支持。

1 螺栓拉伸器的原理及参数

螺栓拉伸器的结构如图1所示。高压油通过快速接头进入油缸工作腔，随着压力的增大使活塞向上顶起，活塞带动螺帽一起运动，而被拉伸的螺栓是拧在螺纹套中的，因此螺栓在弹性变形范围内被拉长，螺母则与接触面脱离开来，此时用手棒在支架的开口处转动螺母。卸去油缸内的高压油，螺栓靠本身弹性锁住轴向变形，从而达到螺栓拉伸器预紧的目的［5］。

图1 螺栓拉伸器的三维示意图

拉伸器油压力参数的确定至关重要。如果压力过大，会造成拉伸器强度损坏，也有可能使螺栓的拉伸变形超出弹性范围；如果压力过小，设备之间的连接高密封比压得不到保证，也会危害到设备的安全运行。螺栓材料在弹性变形阶段，其伸长量与所加荷载成正比关系，螺栓伸长量计算公式如下:

该常规岛给水泵用大螺栓M80×6，材料选用具有高强度、韧度和良好淬透性的35CrMoA，其弹性模量为2.13×106MPa；螺栓拉伸器活塞内、外径分别为133.5和193 mm；活塞的最大行程为10 mm，通过公式 (3）计算带有富裕量的最大工作压力约为110 MPa。

2 液压拉伸器关键结构的有限元分析

2.1 等效模型与边界设置

此常规岛用液压拉伸器作业于超小空间、超高压工况，材料的选用以及结构的强度校核对设备和工作人员的安全起着重要的作用。通过力学理论和实践经验可知，缸体和螺帽是主要的承压零件，导角过渡处产生集中应力，易从此处发生裂纹扩展而导致拉伸器设备损坏。缸体H和螺帽D高度是所研究应变的范围；而缸体内“U” (从a到b）和螺帽“L” (从c到d）则为研究的应力区域。Rm为螺帽L过渡处的倒角 (如图2所示）。其中:ΔL为螺栓预紧拉伸伸长量；L为螺栓有效长度；E为螺栓材料的弹性模量；SB为螺栓截面积；δ为预留的伸长量。通常 ΔL/L为 6×10－4～7×10－4［1］。螺栓所承受的荷载N可以由液压缸油压p和液压缸活塞截面积SD确定:

图2 缸体和螺帽的半截面示意图

通过公式 (1）和 (2）可知拉伸器工作时需要输入到液压缸的压力值，其表达式如下:

为了保证数值计算的准确性和计算机资源的有效利用，对计算模型进行如下处理:省略缸体、螺帽细微结构，如缸体进油口尺寸、螺帽圆柱销孔以及缸体、螺帽外端的斜倒角；着重分析缸体、螺帽承压过段圆弧区域，为保证有足够的计算精度，此处网格加密细分［6］；以实体模型方式单独对缸体、螺帽进行仿真。

缸体、螺帽的材质为40CrNiMoA，弹性模量2.09×106MPa。实体网格划分采用SOLID45六面体单元，缸体和螺帽单元各约为25万，如图3所示。根据螺栓拉伸器的结构特点和实际约束情况，对缸体底端和螺帽上与螺栓相联接区域采用全固定约束，以消除结构的刚性位移。当活塞达到最大行程时作为静力分析的临界点，作用于缸体内部与螺帽的压力为110 MPa。

图3 缸体和螺帽的网格图

2.2 计算的结果和分析

图4为缸体模型外端H区域有限元仿真与试验(采用位移打点表，施加试验压力，保压5 min测量）对比曲线。不难发现两者得到的应变规律基本相同，随着H的增加分布曲线先缓慢减小，然后在H=45.8 mm时急剧增加到最大值，此时仿真结果 (0.043 mm）是试验值的1.2倍。由于有限元算法采用最小势能原理，连续离散化的过程使计算结果稍大于真实值，但两者的值都远小于液力螺栓拉伸器外径允许的变形量［7］:

式中:φt为缸体外径变形量 (mm）；Dw为螺栓拉伸器本体外径 (mm）。试验过程中，缸体在弹性变形范围内，无泄漏现象。

图4 缸体模型H区域应变值分布曲线

图5 缸体U型区域应力值分布曲线

从图5中可以看出:缸体U型区域仿真应力与理论力学结果变化规律基本也是相同，其值略高于理论值，且分布曲线在L=38.6、67.5 mm处有两个极值点。这说明了缸体两倒角处出现了应力集中，靠近螺纹端处应力略大，如果缸体发生循环应力疲劳，裂纹扩展势必从内端向外扩展。最大集中应力为564.6 MPa，安全系数为1.48，缸体的刚度和强度满足材料的性能要求。

图6—7为螺帽模型D区域与L型区域应变、应力分布曲线。可以清楚地发现螺帽外端应变变化较平缓，仿真最大值为0.183 mm，出现位置为D区域的两端。而螺帽L型区域应力在L=40 mm处 (拐点处）出现了剧增，无论仿真值还是理论值都大于材料的强度极限，出现了“负”安全系数，这是应力集中系数过大造成的。

图6 螺帽模型D区域应变值分布曲线

图7 螺帽L型区域应力值分布曲线

为了更清楚的显示缸体、螺帽的应力和应变细节，图8给出了结构的云图。图中清楚地看到缸体、螺帽的后处理应变结果，以及集中应力出现的区域(红色拐角处）。应力集中系数过大势必对设备及工作人员造成不必要的危害，接下来利用有限单元法对螺帽结构进行优化。

图8 缸体、螺帽的应变、应力云图

2.3 螺帽的优化

从数值模拟的角度来分析参数Rm、D对螺帽应变、应力的影响，结果如图9所示。可以清楚地了解应变、应力曲线变化趋势与初设参数一致。倒角R m设定为4、6、8 mm，随着参数的增大，D区域应变曲线 (图9(a））近似往下移，使最大应变减小；同时当Rm=8 mm，最大应力值 (图9(b））减小了50%。D设定为50、55、60mm，通过曲线 (图9(c）、(d））发现与参数Rm变化趋势基本一致。考虑到活塞尺寸以及结构质量的限制，取Rm=8 mm，D=60 mm为优化尺寸，得到优化结果如图10—11所示。

图9 不同参数对螺帽的优化分布曲线

图10 螺帽D区域应变最终优化曲线

图11 帽L型区域应力 最终优化曲线

从图10和图11可知:螺帽D区域最大应变为0.113 mm，L型区域最大应力为536 MPa。优化后的设备质量虽增加了1.1倍，但相比初设参数最大应力减小了121.2%，应变减小了58%，安全系数为1.43，提高了安全性能，满足设计要求。

4 结论

(1）缸体的最大应变发生在H=45.8 mm处，最大应变为0.043 mm；而最大应力发生在L=67.5 mm处，集中应力最大为564.6 MPa，安全系数1.48。缸体的强度和刚度满足材料的性能要求。

(2）螺帽最大应变的仿真值为0.183 mm，发生在D区域的两端，满足设计要求。而由于应力集中系数的影响，在螺帽L型倒角Rm过渡处最大应力值达到1 186 MPa，是结构的危险区域。

(3）分析参数Rm、D对螺帽的应力、应变影响。随着Rm、D的增大，螺帽的应变、应力都有明显的减小；在特定的优化尺寸下最大应变为0.113 mm，最大应力为536 MPa，极大提高了结构的安全系数。根据优化结果进行实际方案设计，提高了设备的安全性和可靠性。

［1］杨盛福.螺栓的液压拉伸预紧［J］.机床与液压，2005(8）:149－151.

［2］胡志栋.徐康博.液压拉伸器用螺栓的可靠性分析［J］.森林工程，2012(2）:38-41.

［3］刘洪海，蔡伟.基于液压拉伸法的风力发电机组螺栓紧固技术研究［J］.特种结构，2012(4）:53－55.

［4］李伟，王芳，田玉江，等.深水法兰连接机具螺栓预紧方法及装置研究［J］.中国造船，2012(6）:91－96.

［5］梁卫兵，张江涛，徐海旭.高液压螺栓拉伸器的安全系数评定与试验研究［J］.液压与气动，2013(4）:91－94.

［6］杨秀萍，宗升发，曹晓邨.液压机结构设计的有限元法［J］.重型机械，2003(6）:38-41.

［7］机械工业冶金设备标委会.JB/T 6390-2007液力螺栓预紧器［S］.北京:机械工业出版社，2007.

Numerical Analysis on Key Structure of Super High Pressure Hydraulic Bolt Stretcher for Conventional Island of Nuclear Power

ZHANG Chengdong，PU Qiqi，ZHANG Jiangtao，LIPing
(Shanghai Power Equipment Manufacture Co.，Ltd.，Shanghai201316，China）

Aiming at the characteristics that the bolt stretcher for conventional island of nuclear power has the ultra high pressure，ultra small space operation conditions，a design method based on numerical analysis and experimentwas presented，the ANSYS software was used to check the cylinder block and blind nut，and the analysis resultswere compared with the experimental strain data.The optimization characteristices of the parameters Rm，D on the blind nutwere analyzed.The results show that:the strength and stiffness of first set of cylinder block can meet thematerial requirements，but the blind nut has“negative”safety factor in the inflection pointof“L”section；optimizing the blind nut structure size，when Rmand D are equal to 8mm and 60mm respectively，the stress decreases by 121.2%and the strain decreases by 58%comparingwith initial parameters，the safety coefficient is heightened，which provides design basis for the reliability and safety of the equipment.

Conventional island；Bolt stretcher；Blind nut；Cylinder block；Optimization

TH131

A

1001－3881(2014）10－045－3

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.013

2013－04－02

张澄东 (1977—），男，学士，高级工程师，从事电站锅炉给水泵的设计与研发。E－mail:zhang-chengdong@hotmail.com。