地震載荷下壓力容器角焊縫仿真模擬研究

牛瑞濤　劉景源

摘 要：對于設備應力評定問題，文章提出了三種壓力容器支座墊板與筒體環向連接角焊縫的有限元模擬方法，分別是墊板不加厚模型、墊板加厚模型和精確模型。從整體剛度和焊縫處局部應力兩個方面進行了三種方法的對比分析，結果發現，墊板補強不影響整體剛度，墊板不加厚模型對焊縫處應力模擬過于保守，墊板加厚模型既能降低建模成本，又能準確模擬壓力容器力學性能。因而，推薦采用墊板加厚模型進行壓力容器支座墊板與筒體環向連接角焊縫模擬。

關鍵詞：壓力容器；角焊縫；仿真建模；應力評定

焊接是一種重要的壓力容器結構連接方式，焊縫處結構強度是壓力容器安全評定的重要方面，采用有限元仿真方法對壓力容器進行安全評定時，無法回避的問題就是如何對焊縫進行合理建模。焊縫力學性能領域已經有了一定的研究進展，朱政強等進行了不同振動加速度下焊縫金屬動態力學性能試驗研究；陳譽研究了圓鋼管節點力學性能的殼體和實體焊縫有限元模型研究；陳峰等利用有限元方法對核電廠IHP鋼平臺焊縫處進行了受力分析。

文章提出了三種不同的焊縫仿真方法，并對其力學計算結果進行了對比分析，目的是為工程設備焊縫仿真提供技術參考。

1 壓力容器角焊縫模型

本研究源自核電站核安全級設備抗震計算工程技術需要。工程實例為某壓力容器支座墊板與筒體之間的環向單邊角焊縫。在設備抗震仿真計算中，一個合理的有限元模型必須同時滿足兩點要求：（1）準確性，模型必須能準確模擬設備的力學結構特性；（2）經濟性，模型建立成本必須保持在一定的合理范圍之內，以滿足工程的經濟成本要求。總而言之，合理的仿真模型需要在較低的計算成本下計算得到較準確的計算結果。

基于這一考慮，本研究立足于：如何在保證計算結果準確性的前提下對前述周圍單邊角焊縫進行簡易建模。本研究提出并比較了三種角焊縫建模方法：（1）墊板不加厚模型，此方法不考慮墊板對設備的補強作用，因為工程有限元建模時應忽略次要因素的影響，此方法用于驗證墊板補強是否顯著影響設備力學特性；（2）墊板加厚模型，此方法假定墊板對設備力學特性的影響主要為墊板處局部剛度的增大；（3）精確模型，此方法采用MPC184 rigid beam單元模擬墊板與筒體之間的周邊角焊縫，較為繁瑣，建模成本增大。下文將對三種焊縫建模方法的計算結果進行比較，以驗證不同方法的優劣。

2 三種角焊縫模擬方法對比分析

2.1 整體剛度

結構剛度是結構力學性能的關鍵指標，為了研究不同焊縫模擬方法對容器剛度的影響，本節進行三種模型整體剛度的對比分析。容器整體剛度的性能表征可以通過容器固有頻率這一參數來實現，根據結構動力學知識，固有頻率是質量參數和剛度參數的函數，因為三種模型的質量相同，所以模型剛度變化就會引起固有頻率的相應改變，剛度變化越大，相應的固有頻率值的差異越明顯。對三種模型進行模態分析（采用BLOCK LANCZOS法），三種模型計算得到的同階振型模態相同，但是同階振型對應的固有頻率值有所差異，前兩階振動頻率值如表所示。從表1中可以看出，墊板不加厚模型的固有頻率值均小于精確模型，而墊板加厚模型的固有頻率值均大于精確模型；與精確模型相比，兩種近似模型的固有頻率誤差均不超過10%。因此可以認為不同的焊縫簡化處理方法對結構整體剛度影響不大，均滿足工程應用要求。

常用的地震響應工程計算方法有等效靜力法（地震載荷采用地震譜零周期加速度）、準靜力法（地震載荷采用地震譜峰值加速度的1.5倍）和譜分析法。在核安全設備抗震評定中，地震譜截斷頻率通常在33Hz左右，所分析壓力容器僅有第一階固有頻率稍低于截斷頻率，因此，雖然所分析壓力容器不屬于剛性結構，不能采用等效靜力法進行地震響應計算，但是可以采用準靜力法。

2.2 焊縫處局部應力

結構應力分布是進行壓力容器強度評定工作最直接的數據支持。焊縫處幾何和材料均發生不連續，因此焊縫附近區域應力分布屬于典型的局部應力，焊縫處局部應力過大會嚴重危害壓力容器的服役可靠性，因此，不同方法求解得到的焊縫處局部應力準確程度是一個令人關心的問題。本節采用準靜力法進行壓力容器的地震響應求解，三種模型計算得到的焊縫處第一主應力分布（核安全設備應力評定中通常采用最大主應力理論）如圖1所示。從圖中可以看出，墊板不加厚模型的焊縫處局部應力最大值是其它兩種模型的幾十倍，說明采用墊板不加厚模型得到的焊縫處應力過高，結果過于保守，當需要校核焊縫抗震安全性時不宜采用墊板不加厚模型進行計算。同時，采用墊

板加厚后焊縫處應力急劇減小這一事實驗證了壓力容器設計中采用墊板加厚處理的合理性；墊板加厚模型焊縫處最大應力比精確模型降低了約29%，再考慮到墊板加厚模型的建模工作量遠小于精確模型，綜合來講，墊板加厚模型焊縫處應力計算精度較高且建模成本下降明顯，因此，可以采用墊板加厚模型進行焊縫處應力抗震計算。

3 結語

文章利用有限元方法進行了三種壓力容器支座與筒體連接角焊縫的對比分析，并形成了以下結論：

（1）墊板補強對壓力容器整體剛度影響較小，可能是由于結構剛度較大；

（2）墊板不加厚模型計算得到的焊縫處受力過高，當需要校核焊縫抗震安全性時過于保守，可能會引起材料的浪費；

（3）墊板加厚模型能夠準確模擬壓力容器力學性能，計算成本又較精確模型顯著地降低，文章認為此方法適用于所針對的壓力容器支座與筒體連接角焊縫應力評定，但是此方法對更廣泛的設備焊縫模擬的適用性仍值得進一步研究。

參考文獻

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