基于Ansys對艇用止回閥抗沖擊要求進行分析，求解了止回閥沖擊應力結果，并對其進行評定。獲得了止回閥抗沖擊分析的常用方法，縮短了研發周期。

1、概述

　　艇用止回閥水平安裝在非能動余熱排出系統管路上，是二回路系統壓力邊界的一部分，止回閥利用介質的流動實現自動開、關閥門。當閥前的管道發生破裂或斷裂事故時，止回閥自動關閉，以防止蒸汽發生器二次側水喪失。由于該閥門所處的使用環境及部位，要求其抗沖擊等級為Ⅰ類。

2、分析

　　閥門主體材料的屈服強度和抗拉強度均為常溫下的值。各部件的許用應力按照規范2 級閥門確定。即屈服強度為室溫下規定的最小屈服強度的2 /3 與設計溫度下屈服強度的2 /3 中的較小值，抗拉強度為室溫下規定的最小抗拉強度的1 /4 與設計溫度下抗拉強度的1 /4 中的較小值。根據GB 842.31A 及ASME 的相關規定，止回閥的抗沖擊評定載荷工況組合如表1 所示。

　　設計工況評定限制最嚴格，分析中只評定設計工況和水壓試驗工況。閥門的承壓邊界主要包括閥體和閥蓋。從力學特性分析，可以認為閥體和閥蓋作為一個整體來承受內壓產生的載荷。因此，在建立有限元模型時，將閥體和閥蓋作為一個整體進行建模( 圖1) ，忽略連接螺栓的影響，但將中法蘭螺柱的初始緊固力作為載荷施加到閥體和閥蓋的法蘭上。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)考慮到地震載荷的非對稱性，模型取實際結構的三維模型進行網格劃分。而內部部件則忽略其剛度，只將其質量疊加到模型中去。各個法蘭在接觸面處合并成一個整體。分析采用的坐標系Y 向為垂直方向，Z 向為沿閥體的通徑方向。

表1 抗沖擊評定載荷工況

注: 設計工況所評定載荷工況組合已包含工況1、2、3、4 所評定的載荷工況。

　　模型用四面體10 節點單元建立，共有17 484個節點，67 669 個單元。有限元分析使用的前處理軟件為Hyperworks，計算軟件為ANSYS。閥體通徑的左端面約束沿Z 向和切向平動位移，右端面約束沿Z 向和切向平動位移。模型中的載荷有4 種。①設計內壓P = 15. 1MPa，作用于閥體和閥蓋的內腔上。②中法蘭螺柱的初始緊固力，即作用于閥體主法蘭的8 個螺紋孔的側面( 緊固力方向向上) 和閥蓋主法蘭的8 個螺栓孔的頂端面( 緊固力方向向下) 。③自重，即1. 0g 的加速度載荷，沿- Y 方向作用于閥體的全部質量上。④沖擊載荷，采用頻譜分析法進行計算。

圖1 閥門整體的有限元模型

　　首先進行模態分析，以了解結構的整體動力學特性。計算表明，閥門整體結構的基頻為462Hz( 圖2) ，第2 階頻率為1 009Hz( 圖3) ，閥門整體結構的前兩階振型均表現為閥門整體的擺動。對于設備而言，一般認為基頻超過33Hz 即可認為是剛性體，因此可認為閥門整體結構的剛度足夠大，在地震中可以視其為是剛體。

圖2 閥門的第1 階振型

圖3 閥門的第2 階振型

3、設計工況計算

　　3.1、低頻區

　　對于低頻區( 0 ～ 10Hz) ，主要施加位移譜，垂向和橫向施加強迫位移20mm、縱向施加強迫位移10mm( 圖4) 。對閥體進行應力評價。閥體最大應力點位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應力為179. 4MPa，是一個整體結構不連續區域。最大應力點處的一次薄膜應力強度不超過38MPa，一次薄膜加一次彎曲應力強度( 即一次應力強度) 不超過98MPa，一次應力強度加二次應力強度不超過124MPa，超過二次應力強度的應力屬于峰值應力強度。

圖4 低頻沖擊條件下閥門整體的應力分布

　　3.2、中頻區

　　對于中頻區( 10 ～160Hz) ，主要施加速度譜，垂向和橫向施加速度1.2m /s、縱向施加速度0.61m /s( 圖5) 。對閥體進行應力評價，閥體最大應力點位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應力為190.6MPa，是一個整體結構不連續區域。最大應力點處的一次薄膜應力強度不超過42MPa，一次薄膜加一次彎曲應力強度( 即一次應力強度) 不超過105MPa，一次應力強度加二次應力強度不超過137MPa，超過二次應力強度的應力屬于峰值應力強度。

圖5 中頻沖擊條件下閥門的應力分布

　　3.3、高頻區

　　對于高頻區( 160 ～ 800Hz ) ，主要施加加速度譜，垂向和橫向施加速度125g、縱向施加加速度61g( 圖6) 。對閥體進行應力評價。閥體最大應力點位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應力為375.8MPa，是一個整體結構不連續區域，最大應力點處的一次薄膜應力強度不超過68MPa，一次薄膜加一次彎曲應力強度( 即一次應力強度) 不超過125MPa，一次應力強度加二次應力強度不超過167MPa，超過二次應力強度的應力屬于峰值應力強度。

圖6 高頻沖擊條件下閥門的應力分布

4、水壓試驗工況

　　水壓試驗工況下主要對閥體施加1.1 倍設計壓力的載荷( 圖7) 。對水壓試驗工況下閥體的應力分布進行分析，閥體最大應力點位于閥體與法蘭連接的軸頸處，最大應力為101.4 MPa，是一個整體結構不連續區域，最大應力點處的一次薄膜應力強度不超過65MPa，一次薄膜加一次彎曲應力強度( 即一次應力強度) 不超過110MPa。

圖7 水壓試驗工況下閥門的應力分布

5、應力評價

　　應力評價見表2。

表2 應力評價

6、結語

　　通過對艇用止回閥的地震和沖擊條件下的力學計算，得出閥門的主要承壓邊界部件的應力水平和主要連接螺栓的承載能力滿足相應規范的應力限值要求，并有一定的安全裕度，能夠保證承壓邊界結構的完整性。閥門的主要傳動部件始終處于彈性階段，變形很小，且可以完全恢復，可以保障閥門在地震條件和沖擊條件下的可運行性。