材质对爆破阀剪切盖受剪冲击过程的影响

作者:李志杰;吴辉;顾卫国;王德忠 刊名:核技术 上传者:赵晓红

【摘要】爆破阀是新一代核电厂关键阀门,尚未实现国产化,剪切盖的失效过程是其国产化过程中必须研究的问题。为研究不同材质爆破阀剪切盖受剪冲击失效的过程,运用有限元方法对不同材质(镍铬合金690、304不锈钢和321不锈钢)剪切盖受剪冲击的过程进行了数值模拟,得到了剪切盖的断裂时间及剪切完成后活塞速度余量的变化规律,并提出了爆破阀开启过程中活塞与剪切盖接触时速度临界值的确定方法,由此方法确定的不同材质剪切盖对应的活塞临界冲击速度有共同的动能余量特征:动能余量为初始动能的25%。

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爆破阀作为一种特殊阀门在新一代压水堆核电厂中首次被引入,主要用于自动卸压系统、低压安注系统和安全壳再循环系统中,图1为某一爆破阀的结构示意图。在正常工况下,爆破阀处于关闭状态;发生事故时,爆破阀的动力装置(火药爆炸)驱动活塞运动,并剪断剪切盖,实现阀门开启。剪切盖在冲击作用下的力学行为十分复杂,材料的差异会对剪切过程造成影响。图1爆破阀结构示意图[2]Fig.1Structureofsquibvalve[2].由于爆破阀首次被应用,目前国内外对爆破阀及剪切过程的公开发表文献较少。国外有学者对爆破阀的开启过程进行了简单介绍,并指出爆破阀剪切盖材料为镍铬合金690,但对剪切盖的冲击过程未进行具体分析[1]。也有学者采用有限元方法对爆破阀的剪切盖的结构进行了力学分析,并优化了结构参数,但采用的材料单一,为镍铬合金690[2]。在核材料研究上,有学者用实验方法研究了不锈钢在高温高应变率下的特性,得到了钢材的热软化特性和应变率强化特性曲线[3]。也有学者针对某一牌号钢材(如304不锈钢、316L不锈钢、321不锈钢)进行了动力学方面的研究,给出了用于显式动力学计算的J-C模型[46]。这些核材料的弹塑性性质如屈服强度、抗拉强度、失效应变等存在一定的差异,如应用到爆破阀剪切盖上,剪切过程的动力学性能会存在不同。为了分析不同材料对剪切的影响,本文选用几种核级钢材作为剪切盖材料,对不同的冲击速度作用下的剪切盖失效规律及临界冲击速度进行分析。1计算模型取活塞和剪切盖为研究对象,如图2所示,由于几何模型具有对称性,取其四分之一进行建模,在对称表面约束法向位移。活塞与剪切盖之间无初始接触,两者之间设置较小间距,以避免初始接触造成的初始穿透。模型用六面体进行网格划分,对于结构较薄部位进行网格的细化,有限元模型的材料分配如表1所示。采用Ansys/LsDyna进行计算,计算中不直接对剪切盖输入冲击荷载,而是设置活塞的冲击速度,通过活塞与剪切盖之间的接触算法来计算剪切盖受到的冲击荷载值[7]。080601-2图2几何模型及有限元模型(a)几何模型,(b)网格划分Fig.2GeometricmodelandFiniteElement(FE)model.(a)geometricmodel,(b)FEmodel表1有限元模型材料性质Table1MaterialpropertiesofFEmodel.部件Part密度Density/(kg/m3)弹性模量/MPaElasticmodulus泊松比Poisson’sratio材料模型Materialmodel失效应变Failurestrain单元类型Elementtype单元数Elementquantity活塞Piston调整Adjusted2.011080.3刚体RigidbodySolid1641646剪切盖Shear-cap随材料变化ChangewithmaterialN/A0.3随材料变化Changewithmaterial随材料变化ChangewithmaterialSolid164220000剪切盖采用三种核材料,分别为:镍铬合金690、304不锈钢和321不锈钢[8],三种材料的材料性质如表2所示。镍铬合金690在不同应变率下的应力应变曲线如图3所示,在计算中输入材料密度、弹性模量、泊松比、失效应变及各应变率下对应的应力应变曲线。对304钢和321钢,采用各向同性非线性硬化塑性模型,以Cowper-Symonds方式考虑材料的应变率影响,定义该模型时需要输入的参数包括弹性模量、密度、泊松比、屈服强度和切线模量、应变率影响

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