基于有限元法的除氧器压力调节阀抗冲击性能分析

闫玉曦，李 仲，李晓强

(中国电建集团上海能源装备有限公司，上海 201317)

随着海军对舰艇抗冲击性能的日益重视，舰艇设计中必应考虑除了静载荷和动载荷外的另一种载荷，即冲击载荷。大量的实战战例和试验情况表明，水下近距离的爆炸对船舶造成冲击后，通常很难使船体结构出现破口，然而其冲击作用遍及整船，可能会造成内部许多管路系统和设备的破坏[1-2]。因此，水下非接触爆炸引起的冲击对于舰船设备具有更大的威胁[3]。

舰艇管路系统对冲击载荷的作用十分敏感，遭受冲击载荷后会引起管路系统变形过大或局部应力过大造成损坏。阀门作为管路系统的主要设备，由于其结构尺寸大，重心分布高，更容易受到冲击载荷的影响，造成失效[4-5]。

本文分析的除氧器压力调节阀作为控制除氧器内部压力的关键设备，其调节精度要求较高，因此采用直通式截止阀形式阀体和套筒式节流内件。该阀门能够精确调节补充到除氧器中的加热蒸汽量，从而实现控制除氧器内部压力的功能。

本文采用时域分析法对除氧器压力调节阀进行抗冲击性能分析[6-9]，以考察该设备在冲击载荷作用下的安全性，为进一步优化设计打下基础。

1 抗冲击理论计算

调节阀本体及执行机构其抗冲击指标值参照GJB 1060.1—1991《舰船环境条件要求 机械环境》中5.7.2.1进行设计选取；在不考虑隔振装置(单级、双级、浮筏等)时满足规定的冲击环境，对应的冲击加速度设计值Aa和速度设计值Va见表1。

表1 设备的冲击设计值

表1中相关参数可根据GJB 1060.1—1991中5.7.2.1的规定按如下公式计算：

(1)

(2)

式中，ma是系统设备的模态质量，单位为t。

冲击设计加速度Vaωa取与Aa中的小值为动力学分析系统在给定方向上的冲击设计加速度，其中，ωa是模态质量ma所对应的振动模态圆频率，单位为rad/s。

冲击后不允许产生永久变形或允许有微小永久变形的设备或基座应选用弹性设计，对变形要求严格的零部件应选用弹性设计计算变形量，设备的固定件为定位件，均应选用弹性设计确定其冲击载荷，设备抗冲击计算基本要求见表2。

表2 设备抗冲击计算基本要求

2 除氧器压力调节阀抗冲击分析

2.1 网格划分

除氧器压力调节阀采用直通型截止阀形式阀体结构，主要由阀门本体、执行机构等联合附件组成，其中阀门本体主要由阀体、阀座、阀盖、连接件和阀杆等组成。对模型进行简化处理，去除结构内较小的圆角、倒角。采用绑定约束模拟阀盖与阀体之间、执行器与支架之间、支架与阀盖之间的连接关系。采用全局自动接触算法模拟部件之间在冲击中可能发生的接触，全部采用三维实体单元划分计算网格[10]。除氧器压力调节阀有限元模型如图1所示。

图1 除氧器压力调节阀有限元模型

除氧器压力调节阀关键零部件有限元模型如图2所示。

2.2 约束条件和边界条件

冲击载荷以加速度边界条件的形式加载在阀体两侧法兰位置，边界条件施加位置如图3所示。

a) 阀体

b) 套筒

c) 阀盖

d) 阀芯

e) 阀杆

f) 支架

图3 边界条件施加位置

2.3 材料属性

除氧器压力调节阀主要部件的材料属性见表3。

表3 阀门主要部件材料属性

2.4 冲击载荷与校核算法

根据GJB 1060.1—1991《舰船环境条件要求 机械环境》规定的基础冲击输入，除氧器压力调节阀属于水面舰船船体安装部位的设备，要求进行弹性设计。设备总重约为3.39 t(ma)，按式1和式2确定的冲击设计值(见表4)。冲击方向相对船体而言，纵向为船长度方向，垂向为船高度方向，横向为船宽度方向。

表4 冲击速度和加速度设计值

分析的设备包含复杂的接触关系和丰富的材料非线性，因此选择时域分析法，采用半正弦加速度冲击输入，波形面积应与表4中冲击速度设计值Va相等。选定冲击脉宽为4 ms，加速度峰值由式3计算得到。

(3)

除氧器压力调节阀的加速度冲击输入参数见表5。

表5 除氧器压力调节阀加速度冲击载荷参数

载荷加载历程曲线如图4所示。

图4 加速度冲击波形

应用通用有限元分析软件Abaqus/Explicit对除氧器压力调节阀进行加速度冲击的显式动力学计算。

3 结果分析

除氧器压力调节阀在各向冲击下应力危险区域见表6。

表6 除氧器压力调节阀冲击应力响应 (MPa)

应力云图如图5所示。

分析结果表明：除氧器压力调节阀在承受纵向冲击脉冲(X方向)、垂向冲击脉冲(Y方向)、横向冲击脉冲(Z方向)时，垂向冲击引起结构应力变化最明显，表面垂向冲击最危险，但在3个方向施加冲击载荷后，结构均未发生屈服或永久变形，表面整体结构抗冲击性能符合要求。本文通过理论计算和有限元分析验证相结合的方法对调节阀关键零部件进行结构强度与抗冲击性能研究，仿真结果与理论计算作对比验证了所得数据的有效性和准确性，为进一步研究阀门使用寿命奠定了基础。