一种采用非线性有限元整体—局部联合建模进行汽门紧固螺栓耦合应力分析的方法与流程

本发明涉及有限元分析领域，特别是一种采用非线性有限元整体—局部联合建模进行汽门紧固螺栓耦合应力分析的方法，所述应力分析方法用于发电厂高中压主汽门、高中压主汽门阀体、汽轮机高中低压缸体螺栓紧固应力的计算建模。

背景技术

现有常规的螺栓有限元应力计算方法仅针对螺栓建模，并简单将螺栓的所受的总载荷等于预紧力和内部介质应力之和，缺少对于螺栓和阀体在不同状态下相互作用(耦合)产生应力的计算。常规方法的优点：简单易行。且由于常规螺栓与阀体母材理化性能较为接近，忽略阀体对螺栓应力的影响，问题不大。常规方法的缺点：简单地的认为螺栓在工作时因承受蒸汽压力、温度应力和高温蠕变而会发生应力松驰。但随着发电厂机组温度、压力的大幅提高，且大批新型螺栓材料普遍存在与阀体母材理化性能差异较大的情况，就存在实际使用过程中螺栓应力上升的可能性。就必须考虑阀体和螺栓的相互关系。如：alloy783(gh783)属于低膨胀系数、高强度的耐高温新型钴基材料，在国际上首次应用于超超临界汽轮机中压主汽门和调门螺栓，陆续有电厂出现此类螺栓断裂问题，有的最短仅运行4.6kh；有的从末检修；有的为进口螺栓；甚至出现检修中超声波和渗透探伤及硬度检验均合格的螺栓，在修后启动过程中就大量螺栓断裂的问题，更为严重的是部分厂还出现了螺栓大面积断裂的问题，对电厂的安全运行造成了严重的影响。而相关制造厂及第三方机构对其断裂螺栓材料结论是化学成分、金相组织以及室温力学性能均仍符合标准要求。为此对常规的螺栓应力计算方法合理性提出了疑问，并进行螺栓应力计算方法的研究。

发电厂新型高强度螺栓所受的总载荷并不是简单的等于预紧力和内部介质应力之和。根据理论分析,螺栓承受的总应力，除与预紧力、内部介质应力有关以外，还与阀体和螺栓材料的弹性模量、线膨胀系数和泊松比有关，而这些参数随温度的变化规律并不是线性函数，这必然造成螺栓的实际应力在使用的不同阶段的应力不同。另外，螺栓应力还与螺纹结构形式、刚度等参数有关。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有螺栓有限元应力计算方法缺少对螺栓在实际工况下复杂应力状态考虑，由此计算的螺栓在使用时断裂影响电厂安全运行问题，本发明提供了一种采用非线性有限元整体—局部联合建模进行汽门紧固螺栓耦合应力分析的方法，所述应力分析方法充分考虑螺栓实际工况下的应力状态，并在保证计算精度的同时极大的提高运算效率，具有十分重要的工程意义。

本发明解决技术问题采用的技术方案：一种采用非线性有限元整体—局部联合建模进行汽门紧固螺栓耦合应力分析的方法，其内容包括依序进行的以下步骤：

(1)建立汽门的3d整体几何模型作为母模型；所述母模型包括阀盖、阀壳以及紧固组件，所述紧固组件包括螺母、螺栓，并在母模型中用光杆代替螺栓；

(2)根据所述汽门的3d几何模型建立汽门的整体有限元模型；

(3)根据所述汽门的整体有限元模型，建立汽门螺栓局部有限元模型，并进行汽门紧固螺栓非线性有限元耦合应力分析。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：所述步骤(2)中根据所述汽门的3d几何模型建立汽门的整体有限元模型，包括以下步骤：

(2.1)几何模型导入，针对汽门的对称性，将几何模型导入ansysworkbenchv15.0的geometry模块；

(2.2)网格划分，阀壳、阀盖采用整体四面体网格划分，在螺栓孔、法兰配合面处进行局部加密，螺栓切分后进行结构化网格划分；

(2.3)材料属性定义，确定各部件材料牌号后，查询并输入相关材料的性能参数，包括弹性模量、线膨胀系数、热导率、屈服极限以及比热容；

(2.4)施加相应的热边界条件；

(2.5)施加相应的力边界条件；

(2.6)确定启动过程最危险时刻，母模型瞬态热力耦合分析依然采用自动时间步长，求解得到汽门螺栓应力随时间的变化规律，确定螺栓应力最大的时刻。

所述步骤(2.4)中施加相应的热边界条件，包括以下步骤：

(3.1)汽门壳体外侧环境温度取30℃，并将其与空气之间的热边界条件简化处理为第三类边界条件；通过多次试算，最终以计算得到的温度与实际测点温度一致时对应的对流换热系数定义为本次分析的热边界；

(3.2)蒸汽与阀门内壁间的热边界条件也取为第三类边界条件；将汽门内表面划分为若干区域，分别计算各部分的对流换热系数。

所述步骤(2.5)中施加相应的力边界条件，包括以下步骤：

(4.1)汽门螺栓的拧紧分为冷紧和热紧两步，求解热紧完成后的总伸长量，本次汽门螺栓计算取其作为预紧总伸长量；

(4.2)汽门母模型的约束条件分别是：弹性支座处法向无摩擦约束；近汽机侧接管法向位移约束；对称面处法向对称无摩擦约束；

(4.3)载荷的施加分两个载荷步进行：螺栓预紧；导入启动最危险工况下的温度场和内压；所述螺栓预紧使用boltpretension定义，第一个载荷步定义伸长量，第二个载荷步锁死；

(4.4)启动最危险工况下的外载荷分别是：(1)重力加速度g＝9.8m/s2；(2)接管端面施加等效拉应力：

式中：pe—等效拉应力，mpa；pc—蒸汽压力，mpa；do—接管外径，m；di—接管内径,m；(3)阀壳的内壁施加主蒸汽压力；(4)导入温度载荷，进行热-力耦合分析。

所述步骤(3)根据所述汽门的整体有限元模型，建立汽门螺栓局部有限元模型，并进行汽门紧固螺栓非线性有限元耦合应力分析，包括以下步骤：

(5.1)为了在有限元应力分析时，能够真实考虑螺栓中螺纹牙局部细节等因素，对螺栓进一步进行精细3-d有限元建模；在母模型分析完成后，通过建立局部坐标系，导入带螺纹细节的子模型；所述子模型中包含一套完整的螺栓、套环和螺母，而阀盖与阀壳为切取的部分区域；

(5.2)在子模型中对螺栓(螺母)螺纹牙部位(螺纹根部)、倒角部分、端面接触区域均进行网格局部加密；

(5.3)在汽门螺栓子模型中，螺母-套环结合面、套环-阀盖结合面、阀盖-阀壳结合面、螺栓中螺纹牙与螺母、阀壳中螺纹牙结合面均按非线性摩擦接触对处理，取摩擦系数为0.2；

(5.4)子模型分析采用2个载荷步：载荷步1施加预紧力，并导入预紧时的温度场和位移边界，完成预紧工况下的局部应力分析；载荷步2导入(2.6)中启动最危险时刻的温度场和位移边界，进而完成启动最危险时刻的局部应力分析，得到特定螺栓启动最危险时刻的mises应力分布图。

本发明所述的应力分析方法建立了一种可行的模来计算螺栓的实际应力，从而为分析汽机启动过程最危险时刻，以及其他不同运行时期(如稳定工况)的实际应力提供了指导方法；所述应力分析方法具体是通过整体-局部联合建模的方法，考虑了热-力耦合、螺纹牙几何细节，以及配合面间的非线性接触摩擦力；在母模型中采用光杆模型，在子模型中考虑螺纹牙细节，进行精细建模，既提高了有限元建模的效率，又能确保非线性耦合有限元分析的精度。

附图说明

图1：ug环境下汽门装配示意图。

图2：汽门螺栓图。

图3：汽门母模型有限元网格示意图。

图4：ansys环境下汽门整体几何模型。

图5：汽机的冷态启动曲线。

图6：汽门内壁分区图。

图7：母模型(左)约束和(右)外载荷示意图。

图8：启动过程汽门螺栓最大应力随时间的变化规律。

图9：汽门子模型有限元网格示图。

图10：子模型接触对示意图。

图11：汽门螺栓局部应力分析位置。

图12：子模型边界条件示意图。

图13：启动最危险时刻下1#螺栓的整体与局部应力分布。

图14：汽门推荐材料牌号表。

图15：汽门推荐材料性能参数表。

图16：启动过程特征时刻的主蒸汽温度、压力和流量数据。

图17：汽门启动工况下各区域的对流换热系数表。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1～13所示，一种采用非线性有限元整体—局部联合建模进行汽门紧固螺栓耦合应力分析的方法，包括以下步骤：

(1)首先建立汽门的3d整体几何模型，如图1所示，这里称其为母模型，该3d几何模型忽略腔体内阀杆和阀盘等零件以及阀杆漏气口、疏水口等辅助结构，最终在ugnx8.5环境下建立了适当简化的汽门实体模型；简化后的实体模型主要由阀盖、阀壳(含两侧的弹性支腿)以及紧固组件(含螺母、套环、螺栓)组成；

在母模型中，暂时用光杆代替螺栓，而忽略螺纹等细节，如图2所示，光杆直径取为螺栓螺纹中径，其值为61.44mm；

(2)根据所述汽门的3d几何模型建立汽门的整体有限元模型，如图3所示，包括以下步骤：

(步骤2.1)几何模型导入，

针对汽门的对称性，将图1的ug模型导入ansysworkbenchv15.0的geometry模块，并按对称结构(symmetry)进行分析，如图4所示；

(步骤2.2)网格划分，

阀壳、阀盖采用整体四面体网格划分，在螺栓孔、法兰配合面处进行局部加密；螺栓适当切分后，进行结构化网格划分，如图3所示，上述有限元模型共包括193178个单元和381846个节点；

(步骤2.3)材料属性定义，

本实例机组为进口机组，根据现场检测的测试结果，汽门主要计算部件材料的推荐国产牌号如图14所示，并进一步获得相关材料的性能参数，包括弹性模量、线膨胀系数、热导率、屈服极限以及比热容，结果示于图15；

(步骤2.4)施加相应的热边界条件，

根据汽机的冷态启动曲线，如图5所示，分别选取5个特征时刻(0min、14min、114min、278min、553min)，得到对应的主蒸汽温度和主蒸汽压力参数，如图16所示；

汽门壳体外侧环境温度取30℃，并将其与空气之间的热边界条件简化处理为第三类边界条件。通过多次试算，最终以计算得到的温度与实际测点温度一致时对应的对流换热系数定义为本次分析的热边界，其值为6.4(w/m2·℃)；同样，蒸汽与阀门内壁间的热边界条件也取为第三类边界条件；将汽门内表面划分为11个区域，如图6所示，分别计算各部分的对流换热系数，如图17所示；

各区域的对流换热系数确定如下：

其中，管内(区域1、2、10、11)的湍流蒸汽放热公式为

nu＝0.021re^0.8pr^0.43(2)

阀门汽室(区域3-9)的蒸汽放热采用以下经验公式

nu＝0.046re^0.8pr^0.43(3)

式中，h—对流换热系数，w/(m2·℃)；λ—蒸汽导热系数，w/(m·℃)；nu—努塞尔数；re—雷诺数；pr—普朗特数；u—蒸汽流速，m/s，由特征尺寸和蒸汽流量计算；d—特征尺寸，m；ν—蒸汽的运动粘度，m2/s；μ—蒸汽的动力粘度，pa·s；cp—蒸汽定压比热，j/kg·℃；

(步骤2.5)施加相应的力边界条件，

汽门螺栓的拧紧分为冷紧和热紧两步，热紧完成后的总伸长量为0.234mm，本次汽门螺栓计算取其作为预紧总伸长量；

汽门母模型的约束条件如图7中左半图所示，分别是：弹性支座处法向无摩擦约束；近汽机侧接管法向位移约束；对称面处法向对称无摩擦约束；

载荷的施加分两个载荷步进行：1、螺栓预紧；2、导入启动最危险工况下的温度场和内压；其中，螺栓预紧使用boltpretension定义，第一个载荷步定义伸长量，第二个载荷步锁死；启动最危险工况下的外载荷如图7中右半图所示，分别是：(1)重力加速度g＝9.8m/s2；(2)接管端面施加等效拉应力：

式中：pe—等效拉应力，mpa；pc—蒸汽压力，mpa；do—接管外径，m；di—接管内径,m；(3)阀壳的内壁施加主蒸汽压力，其值如图15所示(4)导入温度载荷，进行热-力耦合分析；

(步骤2.6)确定启动过程最危险时刻，

母模型瞬态热力耦合分析依然采用自动时间步长，求解得到汽门螺栓应力随时间的变化规律，如图8所示，螺栓应力最大时刻发生在238min，该最危险时刻下，此时主蒸汽温度为465℃，主蒸汽压力为2.26mpa；

(3)根据所述汽门的整体有限元模型，建立汽门螺栓局部有限元模型，并进行汽门紧固螺栓非线性有限元耦合应力分析，方法包括以下步骤：

(步骤3.1)为了在有限元应力分析时，能够真实考虑螺栓中螺纹牙局部细节等因素，对螺栓进一步进行精细3-d有限元建模，在母模型分析完成后，通过建立局部坐标系，导入带螺纹细节的子模型，如图9所示；所述子模型中包含一套完整的螺栓、套环和螺母，而阀盖与阀壳均取1/20的扇形区域；在子模型中对螺栓(螺母)螺纹牙部位(螺纹根部)、倒角部分、端面接触区域均进行网格局部加密；该有限元模型共包括191485个单元和801941个节点；

(步骤3.2)在汽门螺栓子模型中，螺母-套环结合面、套环-阀盖结合面、阀盖-阀壳结合面、螺栓中螺纹牙与螺母、阀壳中螺纹牙结合面均按非线性摩擦接触对处理，取摩擦系数为0.2，如图10所示；

(步骤3.3)图11给出了用于汽门局部应力分析的各螺栓的编号，以1号螺栓为例，其子模型分析采用2个载荷步：载荷步1施加预紧力，并导入预紧时的温度场和位移边界，完成预紧工况下的局部应力分析；载荷步2导入步骤2.6中启动最危险时刻的温度场和位移边界，进而完成启动最危险时刻的局部应力分析；预紧工况与启动最危险工况下的边界条件示意图如图12所示；对上述子模型进行分析，得到1号螺栓启动最危险时刻的mises应力分布图，如图13所示。