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        承壓氣密門設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

        2023-10-18 04:52:40費(fèi)石繁
        關(guān)鍵詞:筒體有限元結(jié)構(gòu)

        李 鑫,趙 磊,費(fèi)石繁,牛 錚

        (1. 無錫海核裝備科技有限公司,江蘇無錫 214101;2. 合肥通用機(jī)械研究院有限公司,合肥 230031)

        0 引言

        承壓氣密門在核反應(yīng)堆、艦船燃料艙、耐壓氣密設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。船用反應(yīng)堆可通過承壓氣密門連接反應(yīng)堆安全殼的邊界,在保證反應(yīng)堆安全工作的前提下,保障人員和物資順利進(jìn)出安全殼。

        承壓氣密門通過內(nèi)、外2 道門及連接兩門的通道實(shí)現(xiàn)人員和設(shè)備的進(jìn)出,兩門之間存在聯(lián)鎖關(guān)系。作為承壓結(jié)構(gòu)的一部分,承壓氣密門不僅要達(dá)到強(qiáng)度指標(biāo),還要滿足承壓性、氣密性和耐溫性的要求。為控制結(jié)構(gòu)變形、保證承壓氣密門的強(qiáng)度和密封性,需要對(duì)承壓氣密門進(jìn)行有限元分析[2-3]。本文基于ANSYS 軟件對(duì)承壓氣密門進(jìn)行有限元分析,并對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及完整性進(jìn)行校核。

        1 主要參數(shù)

        承壓氣密門結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。承壓氣密門為橫臥圓筒狀,筒體通過焊接與艙壁相連接。承壓氣密門采用雙層耐壓結(jié)構(gòu),當(dāng)一扇承壓氣密門開啟時(shí),另外應(yīng)保持關(guān)閉狀態(tài),每道承壓氣密門均應(yīng)能夠獨(dú)立保證完整性和密封性。2 扇承壓氣密門均開向朝內(nèi),筒體外徑和長(zhǎng)度均為3 000 mm,氣密門通孔的高度和寬度分別為2 000 mm 和1 400 mm。外側(cè)氣密門和內(nèi)側(cè)氣密門需要進(jìn)行單獨(dú)制造,再進(jìn)行整體組裝。承壓氣密門的主要參數(shù)見表1。

        表1 承壓氣密門主要參數(shù)

        2 關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 保證承壓氣密門完整性的措施

        為保證承壓氣密門的完整性,需要采用以下具體措施:

        1)使用Q345R 作為主要材料。

        2)采用圓形筒體,既能有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象,還能減小筒體內(nèi)部壓強(qiáng),減輕筒體質(zhì)量。

        2.2 保證承壓氣密門密封性的措施

        承壓氣密門的氣體泄漏率要低于設(shè)計(jì)要求,有效控制內(nèi)部氣溶膠和氣體的外泄,具體措施如下:

        1)密封材料選用硅橡膠或三元乙丙橡膠[4-5]。

        2)通過多組試驗(yàn)確定橡膠條的結(jié)構(gòu)形式、硬度及彈性。

        3)考慮加工、制造、裝配精度,以及密封面的平面度和粗糙度對(duì)密封性能的影響。

        4)承壓氣密門采用雙道密封橡膠條結(jié)構(gòu),在雙道密封條的空腔部分設(shè)置測(cè)壓口,可隨時(shí)檢測(cè)密封條的氣密性能。

        3 有限元分析

        3.1 模型建立

        承壓氣密門為橫臥圓筒狀,具有對(duì)稱性,故對(duì)一半結(jié)構(gòu)建模即可。承壓氣密門主要包括3 部分:1)門框結(jié)構(gòu),主要包括筒體門框和加強(qiáng)筋組件;2)門板結(jié)構(gòu),主要包括密封門板、門板加強(qiáng)筋、門板圍欄等;3)密封結(jié)構(gòu),主要包括內(nèi)外兩道密封圈。各結(jié)構(gòu)均按照設(shè)計(jì)要求預(yù)留腐蝕裕量。在有限元分析中,結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元,門框與密封圈、門板與密封圈之間的接觸類型為非線性接觸。

        承壓氣密門的相對(duì)剛度要高于主結(jié)構(gòu)連接板,考慮到剛度平衡,需要在主結(jié)構(gòu)連接板的相應(yīng)位置設(shè)置附加加強(qiáng)筋以增強(qiáng)連接板的剛度、降低局部應(yīng)力水平。

        有限元模型及網(wǎng)格劃分情況分別見圖2和圖3。

        圖2 承壓氣密門有限元模型

        圖3 承壓氣密門結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分情況

        3.2 計(jì)算結(jié)果

        設(shè)計(jì)工況下承壓氣密門應(yīng)力云圖見圖4。最大應(yīng)力為335.9 MPa,出現(xiàn)在加強(qiáng)筋5、加強(qiáng)筋6 與連接板焊縫處的內(nèi)表面。承壓氣密門和連接板主要出現(xiàn)4 個(gè)高應(yīng)力區(qū)域,具體位置如下:1)加強(qiáng)筋5、加強(qiáng)筋6 與連接板焊縫處的內(nèi)表面;2)連接板上端與主結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的連接處;3)加強(qiáng)筋5、加強(qiáng)筋6與連接板的焊縫處;4)氣密筒體與連接板的焊縫處。

        圖4 設(shè)計(jì)工況下承壓氣密門應(yīng)力云圖

        續(xù)圖4 設(shè)計(jì)工況下承壓氣密門應(yīng)力云圖

        如圖5 和圖6 所示,與連接板相比,承壓氣密門門板結(jié)構(gòu)與門框結(jié)構(gòu)的受力情況要好很多。門板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為187.97 MPa,出現(xiàn)在門板加強(qiáng)筋的表面;門框結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為174.56 MPa,出現(xiàn)在門框加強(qiáng)筋與筒體連接處。

        圖5 設(shè)計(jì)工況下承壓氣密門板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

        圖6 設(shè)計(jì)工況下承壓氣密門框結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

        設(shè)計(jì)工況下承壓氣密門密封結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D見圖7,密封圈的密封功能良好。

        圖7 設(shè)計(jì)工況下承壓氣密門密封結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

        4 結(jié)論

        強(qiáng)度和密封性對(duì)承壓氣密門非常重要,本文利用ANSYS 軟件對(duì)承壓氣密門進(jìn)行有限元分析,結(jié)果表明:承壓氣密門強(qiáng)度符合要求,密封性能良好。希望本研究可為承壓氣密門的設(shè)計(jì)和校核提供一定參考。

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