1、概述

　　核電站現場使用的閥門氣動執(zhí)行機構必須按照核電相關標準和規(guī)則進行鑒定試驗，全部鑒定試驗項目通過后，方被認定為核級產品，允許投入核電站運行�？拐鹪囼炇侵匾�的鑒定試驗項目，目的在于考核核級產品在設計基準地震事故和安全停堆地震事故時及事故后仍能保持結構完整，并能夠執(zhí)行安全功能。為提高產品抗震試驗的成功率，有效降低開發(fā)成本，在產品設計階段，對所設計的氣動執(zhí)行機構進行模態(tài)分析和抗震分析，了解其結構上的薄弱環(huán)節(jié)，進而采取相應的優(yōu)化改進措施非常必要。

2、工作原理

　　HQ2F-D6.5是雙膜片氣動執(zhí)行機構，主要由殼體、手動部件、氣路部件(包括電磁閥、減壓閥)、膜片部件、推力軸、碟簧、支架部件和行程部件等組成(圖1)。通電時，電磁閥動作，壓縮氣通過減壓閥進入氣動執(zhí)行機構腔內，氣壓通過膜片向上壓縮碟簧，帶動推力軸向上運動，使閥門開啟，并通過行程開關輸出閥門開啟到位信號。斷電時，電磁閥復位，腔內氣壓消失，碟簧依靠自身彈力帶動推力軸向下運動，使閥門關閉，并通過行程開關輸出閥門關閉到位信號。另外，也可以通過旋轉手輪壓縮碟簧，控制推力軸上下運動，進行閥門的開啟與關閉。HQ2F-D6.5氣動執(zhí)行機構全行程6.5mm，全行程時向上拉力1.27kN，質量60kg，此型氣動執(zhí)行機構用于控制核電站現場中定義關狀態(tài)為安全狀態(tài)的閥門。

1.支架部件 2.行程部件 3.下殼體 4.膜片部件及推力軸 5.中殼體 6.氣路部件 7.上殼體 8.碟簧 9.手動部件

圖1 HQ2F-D6.5氣動執(zhí)行機構

3、分析方法

　　以HQ2F-D6.5氣動執(zhí)行機構為例進行抗震研究(圖2)。首先確定氣動執(zhí)行機構的固有頻率，然后根據IEEEStd344進行分析。如果最小固有頻率低于要求反應譜(RRS)最高頻率(其最高頻率為60Hz，最高加速度為9g)，則設備為柔性設備，可使用動態(tài)分析法進行分析。反之則為剛性設備，可使用靜態(tài)分析法進行分析。

圖2 氣動執(zhí)行機構設計流程

4、模型前處理

4.1、模型簡化

　　對氣動執(zhí)行機構進行抗震計算時，由于其形狀復雜，組合部件多，約束種類多，如果對所有零件進行分析，存儲量和計算量往往會成為瓶頸，因此進行合理的模型簡化和質量轉移。

　　氣路部件形狀復雜，不易分析，因此忽略氣路部件的剛度，在其質心處建立質量點，并通過兩個簡化支撐板與上、下殼體連接，模擬氣路部件對殼體零件的影響，并通過質量點的位移考核連接管道的強度。手動部件、碟簧、膜片部件及推力軸自身受地震載荷的影響較小，因此建立簡化軸與上下殼體配合，將手動部件、碟簧、膜片部件及推力軸的質量施加在其上，模擬這些部件對殼體零件的綜合影響。行程部件安裝位置低，自身質量輕，連接緊固，受地震載荷影響較小，因此將行程部件質量轉移至支架上，模擬其對支架的影響。

　　經過分析，簡化模型由上殼體、中殼體、下殼體、連接螺栓、支架、簡化支撐板和簡化軸等組成，總質量不變(表1)。坐標系原點處于執(zhí)行機構簡化前重心處，Z軸為殼體安裝面的法向方向，Y軸為上殼體加強筋平面的法向方向(圖3)。

圖3 HQ2F-D6.5簡化模型

表1 材料性能

4.2、定義約束

　　對質量點與簡化支架的端面節(jié)點定義約束方程，使其剛性連接。氣路部件上的質量載荷通過約束方程傳遞到簡化支架上。

　　因執(zhí)行機構受到的重力和工作載荷方向均為Z向，地震載荷亦是沿三個正交方向，且螺栓預緊力又使得殼體之間緊密相連，不會產生滑移。在殼體接觸面上定義多點耦合，僅保留Z向自由度，并定義標準摩擦接觸，防止發(fā)生穿透現象，摩擦系數取0.15。

　　簡化軸與上殼體和下殼體之間沒有較大的載荷傳遞，并且接觸面緊密配合，因此采用標準摩擦接觸方式對其進行定義，摩擦系數取0.15。

　　連接螺栓主要承受拉力的作用，因此將螺栓頭部與殼體接觸面采用綁定接觸方式進行定義，這樣定義可能會使螺栓的接觸節(jié)點及殼體的接觸節(jié)點出現應力集中現象，是一種保守的定義方式。連接螺栓與簡化支撐板之間接觸面進行相同的定義。

　　支架通過4個螺栓與下殼體連接，其對模型起支撐作用。螺栓與下殼體接觸面采用重合位置節(jié)點耦合的方式進行定義，約束所有自由度，螺栓與支架接觸面采用綁定接觸，為防止發(fā)生穿透現象，支架與下殼體接觸面采用標準摩擦接觸，摩擦系數取0.15。在支架底側定義位移約束。

4.3、網格劃分

　　對分析模型劃分網格(圖4)。分析模型由294851個四面體單元、66190個節(jié)點、1個集中質量單元、13對接觸面、2對多點約束面、1個位移約束面組成。

圖4 有限元分析模型

5、抗震分析

　　運用Block-Lanzos方法對有限元模型進行模態(tài)計算，得到模型前4階的固有頻率為79Hz、87Hz、113Hz和266Hz。因模型的最低固有頻率>60Hz，采用靜態(tài)分析法對氣動執(zhí)行機構模型進行抗震計算。

5.1、施加載荷

　　靜態(tài)分析法是用簡單的方法加上一定的保守因子對模型進行分析。由經驗確定取靜態(tài)系數為1.5，以考慮多頻激勵和多振型響應對線性框架型構筑物的影響。地震對每一個設備部件的作用力通過質量值乘以要求反應譜的最大峰值再乘以靜態(tài)系數獲得。

　　在坐標系原點上施加地震載荷，模擬抗震試驗過程中設備重心處試驗反應譜包絡要求反應譜。因為要求反應譜(RRS)最高加速度為9g，施加的地震載荷為9g×1.5=13.5g，同時施加重力g。模型自身氣源壓力為0.4MPa，作用在中殼體及下殼體內部底面。碟簧力為11300N，作用在上殼體內部頂面。

5.2、抗震分析

　　分析得到HQ2F-D6.5模型的最大位移為0.707mm，其中氣路部件質點的位移為0.5mm，位移量小，不會對連接管道造成破壞。殼體零件的法蘭邊與殼身的連接圓角處應力相對較大，支架及連接螺栓等零件應力符合要求。

5.3、結果評定

　　安全停堆地震載荷為D級使用載荷，氣動裝置作為核1級設備應滿足事故載荷后可運行性的要求，即O級準則。材料在O級準則下的應力限值見表2。

表2 材料應力限值

　　對各個零件分析得到的最大剪切應力與材料應力限值進行比較，得到殼體零件、支架和連接螺栓的評定結果(表3)。

表3 分析結果評定

5.4、結構優(yōu)化

　　根據殼體零件的分析結果，對法蘭邊與殼身的連接圓角處應力相對較大部位進行優(yōu)化設計，增加一個過渡臺階，提高了殼體的強度，使殼體整體受力更均勻(圖5)。

圖5 殼體零件

6、結語

　　HQ2F-D6.5型氣動執(zhí)行機構采用最惡劣的工況、最不利的載荷組合進行抗震分析，計算各個重要部件的應力，然后根據ASME規(guī)范進行嚴格的評定。經過分析表明，氣動執(zhí)行機構自振頻率遠高于核電標準要求的33Hz，氣動執(zhí)行機構殼體在地震載荷、重力和工作載荷的綜合作用下產生的薄膜應力、薄膜加彎曲應力在許用值范圍內，氣動執(zhí)行機構殼體間的連接螺栓滿足強度要求，分析應力在許用應力范圍內，殼體法蘭邊與殼身的連接圓角處進行結構優(yōu)化后應力分布更加均勻。HQ2F-D6.5型氣動執(zhí)行機構滿足ASME關于核1級設備的應力要求，可制作樣機進行抗震試驗。