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        雙機(jī)抬吊法吊裝某井筒的過程靜力學(xué)分析

        2021-08-30 06:20:36金忠見
        甘肅科技縱橫 2021年7期
        關(guān)鍵詞:有限元變形分析

        金忠見

        (中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司,北京 100000)

        0 引言

        從全球核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看,各個(gè)國(guó)家的大部分核電站的在堆貯存水池容量已經(jīng)超負(fù)荷,乏燃料的后處理已經(jīng)成為亟待解決的問題之一[1]。通常情況下,當(dāng)乏燃料在堆水池已滿或接近滿容,而后處理廠或放射性廢液處理庫(kù)的建設(shè)相對(duì)滯后時(shí),均會(huì)采用乏燃料中間貯存的辦法。近年來,我國(guó)加大了對(duì)于核設(shè)施退役預(yù)算的投入,國(guó)內(nèi)第一個(gè)離堆的乏燃料干式貯存設(shè)施是由秦山第三核電有限公司建設(shè),該技術(shù)源于加拿大原子能公司的氣冷貯存模塊[2]。常規(guī)的干法貯存是指將高放廢液玻璃固化后貯存在容器暫存庫(kù)中。對(duì)于高放射性固化體貯存井的安裝,其精度要求很高,井筒必須插入頂板貫穿件內(nèi),使井筒與貫穿件部分重疊,形成一個(gè)定向支座來平衡側(cè)向力。如果井筒發(fā)生較大變形,其后續(xù)安裝工作均會(huì)受到影響。對(duì)零部件吊裝過程進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析可以為實(shí)際吊裝過程提供參考。文獻(xiàn)[3]對(duì)于某特種方艙骨架在運(yùn)輸、吊裝、天線起豎等工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析,對(duì)部分構(gòu)件的設(shè)計(jì)提出了合理建議。楊建福[4]基于ANSYS軟件對(duì)動(dòng)車組水箱吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,確定了吊裝結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大的部位,發(fā)現(xiàn)螺栓孔等應(yīng)力較大部位的接觸應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度。梁全章[5]對(duì)某工程實(shí)例進(jìn)行有限元建模,通過ANSYS軟件對(duì)鋼-混組合梁斜拉橋主梁整體吊裝進(jìn)行受力分析,結(jié)果表明梁處于吊裝過程中的最差工況時(shí),梁的受力仍然滿足要求。

        本論述通過ANSYSWorkbench靜力學(xué)分析模塊對(duì)高放射性固化體貯存井吊裝過程進(jìn)行有限元分析,并對(duì)抱箍的安裝位置進(jìn)行調(diào)整,以確定抱箍的最優(yōu)安裝位置,為井筒吊裝過程的可行性與安全性提供依據(jù)。

        1 三維有限元模型建立

        高放射性固化體貯存井主要由兩百多個(gè)井筒單元構(gòu)成。如圖1(a)所示為貯存井的井筒單元,井筒單元主要由貫穿件、定位鋼板、井筒和貯存井底板構(gòu)成。玻璃固化體貯存于每個(gè)井筒單元內(nèi)以保證安全。這種嵌套式的結(jié)構(gòu)對(duì)安裝有嚴(yán)格的要求,井筒可視為細(xì)長(zhǎng)件,在吊裝過程中容易出現(xiàn)變形,同時(shí)禁用鐵件及其它銳利工具碰觸井筒。因此井筒吊裝采用雙機(jī)抬吊法,如圖1(b)所示,起吊端使用塔吊與井筒預(yù)留耳洞通過扁擔(dān)梁相連,溜尾端使用汽車吊通過抱箍與井筒相連進(jìn)行吊運(yùn)。

        圖1 (a)井筒單元;(b)雙機(jī)抬吊法吊裝井筒

        為了驗(yàn)證井筒在吊裝過程中的變形大小,現(xiàn)對(duì)井筒吊裝過程中的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)仿真,同時(shí)研究改變抱箍位置對(duì)變形的影響,分析井筒應(yīng)力分布。圖2顯示了井筒的三維模型圖及相關(guān)參數(shù),井筒總長(zhǎng)L為10 775 mm,其外徑D為490 mm,井筒壁厚t為5 mm,井筒的右端開設(shè)有四個(gè)均勻的圓孔用于塔吊吊裝,其圓孔直徑為80 mm。井筒的左端外表面安裝有用于汽車吊的抱箍,抱箍安裝在距離井筒端面長(zhǎng)度為d的位置,井筒吊裝過程中改變d的值來分析井筒的應(yīng)力與變形狀況,使吊裝過程中的位移變形最小。狀態(tài)1指的是起吊剛開始汽車吊與塔吊將井筒水平吊起的狀態(tài),狀態(tài)2為塔吊升高后井筒與地面成45°角時(shí)的狀態(tài),狀態(tài)3為汽車吊撤離后井筒被豎直吊起的狀態(tài)。上述三種狀態(tài)均為吊裝過程中井筒保持動(dòng)態(tài)受力平衡的過程,不考慮吊裝過程中井筒隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此計(jì)算過程為穩(wěn)態(tài)。

        圖2 井筒三位模型圖及相關(guān)參數(shù)

        井筒的材料為316Ti不銹鋼,其物性參數(shù)見表1所列。

        表1 材料特性參數(shù)

        2 網(wǎng)格劃分及添加載荷

        根據(jù)上述分析在Solidworks中建立三維模型,導(dǎo)入Ansys workbench的靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行材料、網(wǎng)格、邊界調(diào)節(jié)及求解的相關(guān)設(shè)置。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示,對(duì)局部帶有吊裝孔的位置進(jìn)行加密處理,對(duì)不同狀態(tài)的三位井筒模型,其節(jié)點(diǎn)單元為11萬(wàn)左右。需要說明的是,有限元法處理靜力學(xué)問題時(shí)并非網(wǎng)格數(shù)越多越好,對(duì)于本模型而言,為了避免出現(xiàn)應(yīng)力奇異,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)控制在11萬(wàn)左右,未出現(xiàn)應(yīng)力奇異,滿足有限元計(jì)算要求。

        圖3 井筒有限元網(wǎng)格劃分

        有限元模型約束條件及假設(shè):假設(shè)井筒在三個(gè)狀態(tài)受力分析時(shí)均保持動(dòng)態(tài)平衡,不考慮井筒隨著時(shí)間的運(yùn)動(dòng),為穩(wěn)態(tài)計(jì)算。井筒自身重力視為均布載荷分布于井筒外表面,其值q=12 310 N,不考慮其它外部載荷。動(dòng)態(tài)平衡后汽車吊與塔吊對(duì)井筒的約束視為鉸支,忽略井筒材料的不均勻性。

        3 靜力學(xué)仿真結(jié)果分析

        針對(duì)上述三維模型及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有限元計(jì)算,結(jié)果分析如下,圖4為d=200 mm時(shí)井筒處于狀態(tài)1的動(dòng)態(tài)平衡時(shí),井筒的最大位移云圖,為方便觀察,變形位移量按照130倍放大顯示。從圖4可以看出,最大位移發(fā)生在井筒的正中間處,大小為4.07 mm,井筒兩邊的位移基本為0。圖5為d=200 mm時(shí)井筒處于狀態(tài)1的動(dòng)態(tài)平衡時(shí),井筒的等效應(yīng)力云圖,可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力的最大值分布在井筒右側(cè)的小孔位置處,最大值為9.772 6 MPa,同時(shí)井筒中間的應(yīng)力也較大。

        圖4 d=200mm、井筒處于狀態(tài)1時(shí)位移分布

        圖5 d=200mm、井筒處于狀態(tài)1時(shí)等效應(yīng)力分布

        為研究抱箍安裝距離d對(duì)井筒最大位移變形及最大等效應(yīng)力的影響,當(dāng)d值取200 mm、400 mm、600 mm、800 mm和1 000 mm時(shí),對(duì)于狀態(tài)1和狀態(tài)2而言,井筒的最大位移隨d的變化過程如圖6(a)所示,發(fā)現(xiàn)隨著距離d的增加,井筒所受的最大位移值在減小,井筒處于狀態(tài)1時(shí)的最大位移高于狀態(tài)2,其最大位移發(fā)生在d=200 mm且井筒處于狀態(tài)1時(shí),其值為4.07 mm。通過有限元計(jì)算得知,狀態(tài)3時(shí)井筒最大位移為0.2 mm,因此井筒在狀態(tài)1時(shí)的位移變形最明顯。井筒的最大應(yīng)力隨d的變化過程如圖6(b)所示,可以發(fā)現(xiàn),狀態(tài)2時(shí)井筒所承受的最大應(yīng)力大于狀態(tài)1,最大應(yīng)力出現(xiàn)在d=200 mm且井筒處于狀態(tài)2時(shí),其值為19.07 MPa,通過有限元計(jì)算得知,狀態(tài)3時(shí)井筒最大應(yīng)力為20.93 MPa,因此井筒在狀態(tài)3時(shí)所承受的最大應(yīng)力值高于狀態(tài)1和狀態(tài)2,同時(shí)最大應(yīng)力的位置出現(xiàn)在用于起吊的小孔位置。根據(jù)上述分析可知,井筒采用雙機(jī)抬吊法吊裝過程中受到的等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力,同時(shí)吊裝過程中井筒的最大位移變形為4.5 mm,不會(huì)對(duì)井筒的安裝精度造成影響,因此采用雙機(jī)抬吊法吊裝的方法不會(huì)對(duì)井筒造成變形或應(yīng)力失效,其方法可行性程度高。

        圖6 井筒最大位移與最大應(yīng)力隨d的變化

        圖7為抱箍的約束反力隨距離d的變化,井筒處于狀態(tài)2時(shí)抱箍所承受的約束反力均高于狀態(tài)1,同時(shí)隨著抱箍安裝距離d的增大,其所承受的約束反力在逐漸增大,因此在采用雙機(jī)抬吊法吊裝井筒時(shí)須確保受力平衡;對(duì)比圖6(b)中狀態(tài)2時(shí)最大應(yīng)力隨d的變化,當(dāng)d=600 mm時(shí),最大應(yīng)力值最小,因此抱箍安裝的距離d的優(yōu)選值為600 mm。

        圖7 抱箍的約束反力隨d的變化

        4 結(jié)論

        本論述對(duì)與雙機(jī)抬吊法吊裝某井筒的過程進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析,通過對(duì)吊裝過程中的三個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)進(jìn)行有限元計(jì)算,得到了以下結(jié)論:

        (1)采用雙機(jī)抬吊法吊裝井筒時(shí),當(dāng)井筒與地面平行時(shí),井筒的位移變形最大,最大位移發(fā)生在井筒的正中間;當(dāng)井筒與地面垂直時(shí),井筒承受的最大等效應(yīng)力值最大,且位于井筒端部用于起吊的兩個(gè)圓孔上。

        (2)當(dāng)井筒與地面的夾角為45°時(shí),抱箍與井筒端面的距離優(yōu)選600 mm,此時(shí)井筒所受的最大應(yīng)力最小。

        (3)采用雙機(jī)抬吊法吊裝井筒時(shí),井筒承受的應(yīng)力與變形均在合理范圍之內(nèi),采用此方法吊裝井筒的可行性較高。

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