吊孔剪切強度計算方法探討

湛卉 甕松峰 董岱林

摘 要：核電廠各大型設備的安裝均需要利用吊具，吊具的吊孔強度校核尤其是剪切強度校核尤為重要。該文以AP1000核電廠壓力容器頂蓋吊具起吊連接器為例，通過理論計算和試驗數據的對比，證明吊孔剪切強度經典計算模型過于保守，需進行修正。通過三維軟件應力分析結果并結合材料力學相關知識，對計算模型做出了修正，為同類結構的設計計算提供依據。

關鍵詞：吊孔 強度校核 計算對比 三維分析 模型修正

中圖分類號：TV312 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0045-03

1 壓力容器頂蓋吊具結構介紹

頂蓋吊具是一體化堆頂組件（IHP）的組成部分，在反應堆進行換料或維修等期間，用于IHP的整體吊裝。吊具起吊連接器承載重量不僅包含一體化堆頂的重量，還有三角架及吊桿重量，其額定載荷最大。其結構主要為兩個側板通過筋板聯接，側板上各有上下兩個吊孔，上吊孔通過銷軸和環吊連接，下吊孔通過銷軸和頂蓋吊具三角架連接。

2 經典計算方法強度校核

2.1 確定剪切力F

西屋公司相關資料中明確說明，在設備安裝階段，起吊連接器不僅用于一體化堆頂的轉運，還有可能用于其他大型設備的轉運，其額定載荷應和環吊保持一致。該額定載荷大于一體化堆頂重量，故以環吊額定載荷作為其額定載荷，取G=600 kip，即267 t。

核電廠所有吊具在出廠前均需要進行載荷試驗，試驗載荷均高于額定載荷，載荷系數的選取一般為1.4[1]。為保證試驗過程的安全，還需對試驗載荷下危險截面的強度進行校核。但是，西屋公司作為原設計方，其技術文件中明確提出起吊連接器的試驗載荷為842 t。因西屋公司所規定的試驗載荷高于常規選取的試驗載荷，試驗載荷下的強度計算以西屋公司規定的試驗載荷為準，即842 t。

由于側板為2個，因此側板的計算載荷為F=G/2。

2.2 受力面積

起吊連接器側板的外形結構尺寸如圖1所示。可以看出上孔比下孔更加容易被破壞，因此只對上孔進行受力分析。上孔的B-B為承受剪應力危險截面。

2.3 許用剪切應力

頂蓋吊具在實際使用過程中如過失效將會帶來嚴重后果，根據GB/T 3811-2008，可選用一個高危系數達到增強起重設備的可靠性的目的，該設備的計算中取。因此在載荷組合為A類的情況下，材料強度安全系數。

可見，根據經典方法計算，試驗載荷為842t時，B-B截面的剪切應力遠遠大于材料的許用剪切應力，即理論計算不支持頂蓋吊具進行842 t提吊試驗。

三門核電項目1號機組頂蓋吊具供貨方已經與2013年完成了首臺頂蓋吊具的試驗，其中起吊連接器在拉力機上進行了842 t加載試驗，試驗后無損檢測一切正常，按時出廠。實踐經驗證明，842 t試驗是可以進行的，起吊連接器的軸孔強度可以滿足試驗載荷下的強度要求。但根據計算，B-B截面的強度不能滿足試驗載荷下的要求。在理論計算和實踐經驗出現沖突時，實踐經驗應該更具有說服力。這說明國內常用的經典吊孔剪切強度計算方法過于保守，計算模型應該做出調整。

3 利用三維模型進行應力分析

在材料選擇中新建材料A588并將MPa MPa等力學參數輸入，在144°耦合面施加421 t載荷。

為了方便選取144°角度加載，在軸孔結構上進行了改動，在144°的軸孔面上，其直徑稍稍增大0.1 mm，即在軸孔表面144°處存在臺階，因此應力分析結果顯示，在軸孔兩側144°有明顯的應力集中，忽略不計；而軸孔的B-B截面附近的應力分析結果完全符合要求，證明軸孔B-B截面的三維模型應力分析滿足強度要求。

4 西屋公司強度校核

5 調整計算模型

西屋公司的計算結果和三維模型分析共同證明，經典算法的計算模型不夠合理，實際的試驗結果更加確認這一點，因此需對經典計算模型進行修正。在≤的計算模型中，由材料特性決定，無法更改。而F和A的確定，可以做出適當修正。

將B-B截面所在的吊孔上半部分截取如圖3（a），其受力為如圖所示。進一步將模型簡化，則可將其近似簡化成圖3（b）所示的簡支梁，受力如圖所示。

根據以上計算過程可知，相比經典模型，該模型下B-B分為了左側和右側兩個截面來進行受力分析，單個截面的受力F變成F/2，即≤，也可以看成是在受力不為F不變的情況下，選擇了夾角為0°的兩個截面，西屋公司的算法中選擇與軸線夾角為45°的兩個截面，兩種算法的截面位置選取雖然不同，但是都是兩個截面，說明該文所述軸孔的剪切強度校核受力面選取2個截面是比較合理的，而不是經典算法的單一截面。

6 結論

該文針對AP1000核電廠頂蓋吊具起吊連接器上部吊孔危險截面的強度校核計算與試驗結果相沖突的現象進行分析，結合三維軟件建模并進行應力分析，得出以下結論。

（1）經典算法下，軸孔剪切強度的校核計算結果不支持AP1000頂蓋吊具的起吊連接器進行842 t載荷試驗，但是三門核電的頂蓋吊具已經完成該試驗并供貨，證明常用的吊孔剪切強度計算方法過于保守，不利于結構設計的經濟性。

（2）通過查閱文獻并在文獻[2]結論的基礎上，分別在Solidworks和Inventor環境下建立側板三維模型并進行應力分析，結果證明頂蓋吊具起吊連接件軸孔的強度滿足要求。

（3）對吊孔計算模型進行調整，提出了先分別計算B-B截面兩邊的鄰近截面應力，再利用材料力學知識來得出B-B截面剪切應力的方法，得出應受力面積的計算應為兩倍截面的結論，很好地修正了原計算方法過于保守的缺點，為同類吊孔剪切應力計算提供了參考。

參考文獻

[1] 翁松峰，董正平.核電站核島主設備專用吊具載荷分析及系數取值方法研究[J].核動力工程，2015（4）：61-64.

[2] 任改運，高翔，王俊華，等.軸與軸孔接觸計算在Ansys中的簡化[J].港口裝卸，2012（2）：11-13.