ANSYS程序在压力容器密封性能敏感性

2006年用户年会论文ANSYS程序在压力容器密封性能敏感性分析中的应用郑连纲[中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家重点实验室，610041][摘要]在反应堆压力容器的设计中，结构的密封分析十分重要。因此掌握压力容器密封结构的密封性能对结构几何形式、尺寸、材料性能、内压及螺栓预紧力等参数的敏感性，对设计者设计及改进密封结构来说是至关重要的。本文分析了上述参数（结构几何形状、尺寸等）对压力容器的密封性能的影响程度及影响趋势，由结果可以得出以下结论：内压、几何形状及尺寸参数对O形环变形的影响显著；材料性能及螺栓紧固力参数对螺栓应力影响显著。[关键词]密封分析，敏感性，压力容器TheSensitivityAnalysisofReactorPressureVesselSealPerformanceWithANSYSZHENGLian-gang[NationalKeyLaboratoryofReactorSystemDesignTechnology,NuclearPowerInstituteofChina,610041][Abstract]Thesealanalysisisveryimportantinthedesignofnuclearreactorpressurevessel.So,it’susefultoknowthesensitivityofthesealperformancetothevariables,suchasgeometry,material,pressure,bolttightforceandetc.ThispaperstudiestheinfluenceofrandominputvariablesonsealperformanceofRPV.Theresultsareillustratedasbarandpiecharts.TheyshowthatthevariableofgeometryissignificantforthedeformationofOring,thevariablesofpressureandbolttightforcearesignificantforthestressofbolt.[Keyword]sealanalysis，sensitivity，RPV1前言反应堆压力容器内的冷却剂具有压力高、温度高、放射性剂量高等主要特点。根据核安全要求及日益提高的环保要求，在设计时不仅要满足设计规范的应力限制，而且还必须2006年用户年会论文满足密封设计的变形限制要求，以防止结构强度失效和密封失效，确保压力容器在设计寿期中的正常运行。关于压力容器密封分析，国内外已经作了部分研究工作，但关于压力容器密封性能对结构尺寸、结构形式、载荷及材料特性等参数的敏感性分析，到目前为止很少有相关报道及文献。从力学方面考虑，密封结构的密封性能与结构形式、结构尺寸、材料性能及载荷等因素有着直接的关系。为了确保并改进密封结构的密封性能，首先需要知道对密封性能产生影响的因素，以及各因素对密封性能的影响程度及影响趋势，然后只需有针对性地改进对密封性能影响显著的因素来提高结构的密封性能，以达到事半功倍的效果，这就需要对密封结构的密封性能对各因素的敏感性进行分析。2敏感性分析方法首先介绍敏感性分析所需的设计参数，包括随机输入参数和随机输出参数[1]。其中，随机输入参数指影响分析结果的结构与载荷数据，如弹性模量、载荷、结构形式或尺寸等；随机输出参数指有限元分析的结果，通常是随机输入参数的函数，如应力、应变等。分析中主要采用以下两种计算方法：（1）蒙特卡罗法，包括拉丁方抽样方法和直接蒙特卡罗抽样方法，其特点是适用范围广，且非常适合于做并行处理。（2）响应表面法，包括中心指数设计法和BoX-Behnken矩阵法。相对于蒙特卡罗法，响应表面法所需的循环次数少，效率高，但不适合于随机输出参数与随机输入参数的函数不平滑的情况。敏感性分析结果把随机输入参数分为两组，即按各输入参数对计算结果的贡献大小，分为对随机输出变量有显著影响的和相对影响不大的。这样将有利于设计者得到更可靠的优质产品，或在保证质量和可靠性的同时来降低成本、提高工作效率。下面所举实例便是密封结构的密封性能对结构与载荷输入参数的敏感性分析的问题，计算是应用大型有限元软件ANSYS来完成的。3压力容器的密封性能敏感性分析所分析的压力容器密封结构包括带有平台的半球形顶盖、圆柱形壳体、平底封头和座圈组成，通过主螺栓把顶盖与筒体法兰紧固在一起，在法兰密封面处设有两道方形槽用于放置金属O形密封环。由于结构具有对称性，故在不影响计算结果准确性的前提下，为了提高计算效率，取含半根螺栓压力容器结构建立计算模型进行分析，计算模型如图1所示，模型采用20节点三维实体单元进行离散，网格如图2所示。2006年用户年会论文图１计算模型图图2有限元网格划分图2006年用户年会论文在冷态工况下，该压力容器密封组件主要载荷有内压载荷、螺栓预紧力，在这些载荷的作用下，压力容器密封结构将产生变形，如变形到一定程度时，就有可能发生泄漏。除了载荷及密封环本身性质的原因，引起泄漏的主要因素还有密封结构形式，如上法兰密封面是平面还是斜面以及斜面的倾角大小、半球形顶盖的平台厚度及材料性能（这里主要指材料的弹性模量）。我们以材料性能、载荷及结构尺寸为输入参数：材料的弹性模量HEX∈[1.6×105,3×105](MPa)内压P∈[0.8，17.6](MPa)螺栓预紧力BSTRESS∈[250000，300000](N)半球形顶盖的平台厚度H1∈[0.46，0.5](m)斜面倾角ANGLE∈[0，0.8](度)输出参数取能够反映密封性能的螺栓应力（MEMB）及法兰内、外O形环槽处的分离量（DOIN、DOOUT）。计算分析时，首先建立分析所需的分析文件，该文件必须包括整个建模、求解及提取指定参数作为随机输入参数和随机输出参数的过程。然后进入概率设计模块，采用直接蒙特卡罗抽样方法进行敏感性分析。敏感性分析结果以图的形式显示，如下所示。其中，输入参数对输出参数影响水平在2.5%以下的归为相对影响不大的（Insignificant）因素,影响水平在2.5%以上的归为有显著影响的（Significant）因素；图中显示为正值时表示输出参数与该输入参数成正比例关系，显示为负值则表示输出参数与该输入参数成反比例关系。图3螺栓应力对各输入参数的敏感性2006年用户年会论文图4法兰内环槽变形对各输入参数的敏感性图5法兰外环槽变形对各输入参数的敏感性由上述图形结果可以得出以下看出，该压力容器密封结构：（1）对螺栓应力有显著影响因素的为螺栓预紧力和材料的弹性模量；（2）对法兰内环槽分离量有显著影响的为内压及斜面倾角；（3）对法兰外环槽分离量有显著影响的为斜面倾角。2006年用户年会论文因此，设计中如螺栓应力计算结果超出规范限制，则可使用弹性模量更低的材料或减小螺栓预紧力以降低螺栓应力；如因法兰密封环槽分离量过大，已不能满足密封要求时，在不能降低压力的情况下可适当增大斜面倾角的角度。4结论通过反应堆压力容器的密封性能对结构尺寸、结构形式、载荷、材料性能等参数的敏感性分析，研究各参数对压力容器密封性能的影响程度及影响趋势，可为压力容器密封结构的设计及密封性能的改进提供重要依据，保证压力容器设计的合理性、可靠性和先进性，并最终把研究成果应用于实际工程之中，以达到缩短设计周期、提高设计质量及降低设计成本的目的。不同结构形式的密封结构，各因素的影响水平也有所不同，甚至会出现相反的结论。该敏感性分析方法可适用于各种结构形式的密封结构而并非只针对压力容器结构，具有广泛的应用前景。[参考文献][1]ANSYS,User’sManualforRevision8.0,2003.