壓力容器密封主螺栓預緊模擬范文

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1加載原則

圖1是我國自主核電站反應堆壓力容器頂蓋，共有48個主螺栓，按對稱關系分成12組，每組4個螺栓。按表1順序對螺栓進行加載，組內的螺栓載荷相同，組間的螺栓載荷進行優化配置，先高后低，原則上1～2組載荷相同；3～4組載荷相同；依此類推，如表1所示。

2有限元分析

根據壓力容器和預緊螺栓受力不對稱的特點，取整體模型進行分析計算。采用三維CAD軟件建立了壓力容器的幾何模型，其中包括頂蓋、筒體、主螺栓、主螺母等。在ABAQUS軟件中建立壓力容器的有限元分析模型，進行螺栓預緊過程的有限元分析，并根據分析結果來校核螺栓預緊是否滿足要求。

2.1計算模型在計算模型中，壓力容器的頂蓋、筒體、主螺栓、主螺母等均采用三維實體建模和三維實體有限元網格。壓力容器的三維幾何模型如圖2所示，有限元網格如圖3所示。三維實體網格采用4節點四面體單元。在ABAQUS中，通過boltload來施加螺栓的預緊力，每個螺栓的預緊力通過連接預拉伸截面來定義，作用于整個預拉伸截面上，預拉伸截面用一個內部的sur⁃face來定義。預拉伸截面定義在螺栓桿的中部。預緊力的作用方向沿著螺栓桿的軸線，所以在定義預緊力之前，需要先定義每個螺栓的軸線方向作為預緊力的作用方向。約束筒體4個支耳位置的3個方向的平動自由度。在頂蓋的外環加了一個柱坐標系下的旋轉位移約束（U2=0）的邊界條件，因為是近似軸對稱結構，每一步的載荷也是軸對稱的。

2.2螺栓力的逐級分組加載螺栓力必須在第一個分析步就施加，所以這里每一個螺栓力都從第一個step就施加上去了。通過修改螺栓力的大小來滿足逐級分組加載。在一級加載中，總共建立了13個分析步，有12個分析步是用來分布加載12組螺栓載荷，加載全部載荷的60%。（1）第一步，所有的螺栓加一個非常小的螺栓力1e-6kN，相當于沒有力；（2）在第二個step修改第一組的幾個螺栓的加載力，為800×9800×0.6N；（3）在第三個step修改第二組的幾個螺栓的加載力，為800×9800×0.6N，依次類推，從而逐級實現分組加載；（4）螺栓力的大小。所有螺栓每一個均承載800t的螺栓力，即為800×9800N。不同的加載級再乘以一個比例系數即可。第二級和第三級的加載方法和第一級的類似，也分別建立12個step，來分別加載12個組，所以總共有37個step。通過在不同的分析步改變不同的組的加載幅值，二三級和第一級不同的是加載的值變大了，第二級為最終螺栓力的80%，第三級加載到100%。從而實現了螺栓力的逐級分組加載。

2.3接觸設置模型中，在3個地方設置了接觸：（1）主螺母和頂蓋的接觸（48對）；（2）頂蓋和其下方筒體之間的接觸（3對）；（3）螺栓和螺孔的接觸（48對）。

2.4一級加載的計算結果一級加載分12組進行，每次分別按照前面所述預緊48個螺栓中的4個。12組加載全部完成，最終變形基本上是軸對稱變形的。將每組螺栓預緊后，上法蘭的最大變形見圖4，可以看出隨著加載不斷進行，上法蘭最大位移逐漸增加。

2.5兩級加載的計算結果第一級的12組加載完畢后，進行第二級的12組加載，這是在第一級加載的基礎上進行的，螺栓預緊力為總載荷的80%。統計每組加載完成后，上法蘭的最大位移，如圖5所示。

3三級加載的計算結果

同樣的方法，三級加載后，每個螺栓均加到了100%的載荷值。統計第三級每組加載后上法蘭的最終變形，如圖6所示。

三級加載過程中螺栓力的變化三級加載的過程中，1號螺栓力的變化如圖7所示。圖7中間的兩個下降到0N的點并不表明此時螺栓力真為0N，而是此時在施加第二級螺栓力，所以這兩處螺栓力應為加載的螺栓力，開始的第二個點和第三個點也是類似的。所以上圖中的那三個位置對應的力應該為：500T，730T，810T，也就是4900kN，7154kN，7938kN。圖8是第一組螺栓（4個，分別是1，13，25，37號螺栓）的螺栓力隨加載過程的變化。從圖中可以看出，這4個螺栓上的螺栓力完全相同，因為這4個螺栓是完全軸對稱的，并且在計算的過程中同時加載，每次所加的載荷也相同，所以這4個螺栓的受力完全相同。和第一組螺栓類似，其他12組也分別是軸對稱的，所以每組的螺栓上的力完全相同。下面輸出了所有48個螺栓的螺栓力的時間歷程，發現這些螺栓的螺栓力最終分為12組，一次向右推移一個時間步，反映了一次擰緊螺栓的過程。從圖9中可以看出，每組在施加完對應級數的載荷后，在施加其他組螺栓力載荷時，前面組的螺栓力是較剛剛加載上時略有下降，所有螺栓的載荷都沒有超過最大的加載載荷805T，所以分級加載并不會影響螺栓承載的安全性。

4結論

通過在ABAQUS里合理建模并合理分析，得到了合適的計算結果，包括螺栓載荷的變化、上下法蘭的變形過程等。通過計算數據可知，本文螺栓加載荷順序和大小比較合理，從而為工程實際預緊操作提供優選方案。

作者：陳寶 單位：海軍駐北京地區艦船設備軍事代表室