吊孔剪切强度计算方法探讨

湛卉 瓮松峰 董岱林

摘 要：核电厂各大型设备的安装均需要利用吊具，吊具的吊孔强度校核尤其是剪切强度校核尤为重要。该文以AP1000核电厂压力容器顶盖吊具起吊连接器为例，通过理论计算和试验数据的对比，证明吊孔剪切强度经典计算模型过于保守，需进行修正。通过三维软件应力分析结果并结合材料力学相关知识，对计算模型做出了修正，为同类结构的设计计算提供依据。

关键词：吊孔 强度校核 计算对比 三维分析 模型修正

中图分类号：TV312 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（b）-0045-03

1 压力容器顶盖吊具结构介绍

顶盖吊具是一体化堆顶组件（IHP）的组成部分，在反应堆进行换料或维修等期间，用于IHP的整体吊装。吊具起吊连接器承载重量不仅包含一体化堆顶的重量，还有三角架及吊杆重量，其额定载荷最大。其结构主要为两个侧板通过筋板联接，侧板上各有上下两个吊孔，上吊孔通过销轴和环吊连接，下吊孔通过销轴和顶盖吊具三角架连接。

2 经典计算方法强度校核

2.1 确定剪切力F

西屋公司相关资料中明确说明，在设备安装阶段，起吊连接器不仅用于一体化堆顶的转运，还有可能用于其他大型设备的转运，其额定载荷应和环吊保持一致。该额定载荷大于一体化堆顶重量，故以环吊额定载荷作为其额定载荷，取G=600 kip，即267 t。

核电厂所有吊具在出厂前均需要进行载荷试验，试验载荷均高于额定载荷，载荷系数的选取一般为1.4[1]。为保证试验过程的安全，还需对试验载荷下危险截面的强度进行校核。但是，西屋公司作为原设计方，其技术文件中明确提出起吊连接器的试验载荷为842 t。因西屋公司所规定的试验载荷高于常规选取的试验载荷，试验载荷下的强度计算以西屋公司规定的试验载荷为准，即842 t。

由于侧板为2个，因此侧板的计算载荷为F=G/2。

2.2 受力面积

起吊连接器侧板的外形结构尺寸如图1所示。可以看出上孔比下孔更加容易被破坏，因此只对上孔进行受力分析。上孔的B-B为承受剪应力危险截面。

2.3 许用剪切应力

顶盖吊具在实际使用过程中如过失效将会带来严重后果，根据GB/T 3811-2008，可选用一个高危系数达到增强起重设备的可靠性的目的，该设备的计算中取。因此在载荷组合为A类的情况下，材料强度安全系数。

可见，根据经典方法计算，试验载荷为842t时，B-B截面的剪切应力远远大于材料的许用剪切应力，即理论计算不支持顶盖吊具进行842 t提吊试验。

三门核电项目1号机组顶盖吊具供货方已经与2013年完成了首台顶盖吊具的试验，其中起吊连接器在拉力机上进行了842 t加载试验，试验后无损检测一切正常，按时出厂。实践经验证明，842 t试验是可以进行的，起吊连接器的轴孔强度可以满足试验载荷下的强度要求。但根据计算，B-B截面的强度不能满足试验载荷下的要求。在理论计算和实践经验出现冲突时，实践经验应该更具有说服力。这说明国内常用的经典吊孔剪切强度计算方法过于保守，计算模型应该做出调整。

3 利用三维模型进行应力分析

在材料选择中新建材料A588并将MPa MPa等力学参数输入，在144°耦合面施加421 t载荷。

为了方便选取144°角度加载，在轴孔结构上进行了改动，在144°的轴孔面上，其直径稍稍增大0.1 mm，即在轴孔表面144°处存在台阶，因此应力分析结果显示，在轴孔两侧144°有明显的应力集中，忽略不计；而轴孔的B-B截面附近的应力分析结果完全符合要求，证明轴孔B-B截面的三维模型应力分析满足强度要求。

4 西屋公司强度校核

5 调整计算模型

西屋公司的计算结果和三维模型分析共同证明，经典算法的计算模型不够合理，实际的试验结果更加确认这一点，因此需对经典计算模型进行修正。在≤的计算模型中，由材料特性决定，无法更改。而F和A的确定，可以做出适当修正。

将B-B截面所在的吊孔上半部分截取如图3（a），其受力为如图所示。进一步将模型简化，则可将其近似简化成图3（b）所示的简支梁，受力如图所示。

根据以上计算过程可知，相比经典模型，该模型下B-B分为了左侧和右侧两个截面来进行受力分析，单个截面的受力F变成F/2，即≤，也可以看成是在受力不为F不变的情况下，选择了夹角为0°的两个截面，西屋公司的算法中选择与轴线夹角为45°的两个截面，两种算法的截面位置选取虽然不同，但是都是两个截面，说明该文所述轴孔的剪切强度校核受力面选取2个截面是比较合理的，而不是经典算法的单一截面。

6 结论

该文针对AP1000核电厂顶盖吊具起吊连接器上部吊孔危险截面的强度校核计算与试验结果相冲突的现象进行分析，结合三维软件建模并进行应力分析，得出以下结论。

（1）经典算法下，轴孔剪切强度的校核计算结果不支持AP1000顶盖吊具的起吊连接器进行842 t载荷试验，但是三门核电的顶盖吊具已经完成该试验并供货，证明常用的吊孔剪切强度计算方法过于保守，不利于结构设计的经济性。

（2）通过查阅文献并在文献[2]结论的基础上，分别在Solidworks和Inventor环境下建立侧板三维模型并进行应力分析，结果证明顶盖吊具起吊连接件轴孔的强度满足要求。

（3）对吊孔计算模型进行调整，提出了先分别计算B-B截面两边的邻近截面应力，再利用材料力学知识来得出B-B截面剪切应力的方法，得出应受力面积的计算应为两倍截面的结论，很好地修正了原计算方法过于保守的缺点，为同类吊孔剪切应力计算提供了参考。

参考文献

[1] 翁松峰，董正平.核电站核岛主设备专用吊具载荷分析及系数取值方法研究[J].核动力工程，2015（4）：61-64.

[2] 任改运，高翔，王俊华，等.轴与轴孔接触计算在Ansys中的简化[J].港口装卸，2012（2）：11-13.