核儀表用單卡套管接頭建模仿真分析

邵明坤,江浪,薛歡歡

(中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471000)*

自從電能被商業化應用以來，極大推動了現代科學文明的迅猛發展，而電連接技術也已被廣泛應用至各個工業領域.不同于一般工業領域，在一些工況環境嚴酷的領域，如核電領域對連接技術提出了更高的要求，要求連接器應具有優良的密封性能，可以長期耐受惡劣環境如高溫、輻照、過熱水蒸汽、腐蝕溶液等的侵蝕[1].在核電廠核島安全殼內部，傳統連接器采用橡膠作為關鍵密封材料，由于橡膠受到環境中光、熱、輻照等因素影響會發生降解、交聯反應，導致壓縮永久變形率、應力松弛等性能隨時間逐步下降[2-6]，最終喪失彈性無法回彈引起連接器密封失效，進而發生電氣故障.相對于橡膠密封，金屬密封技術具有優良的耐候性、長壽命、高可靠等優勢，因此采用金屬密封的電連接器將推動電連接技術在尖端、嚴酷領域內的發展.

相比于一般的金屬密封方式如金屬密封圈、金屬平墊片、金屬透鏡墊等，卡套管接頭具有結構緊湊、設計巧妙、制造精密等優點，在核電、石油、天然氣和化工等領域被大量用于儀器、儀表、管道控制系統中.卡套的結構經歷了單刃口、雙刃口、無刃口等多種形式的迭代更新.單卡套與管子外壁之間通過擠壓作用形成一道精密金屬密封，為達到可靠的金屬密封，要求單卡套具有合理的幾何結構、加工精度，合適的管子壁厚，以及材料適中的硬度、彈性模量.一般單卡套管接頭由接頭本體、卡套、螺母三部分組成，各零件所用材料與管子采用同一材質[7].與雙卡套管接頭相比，單卡套管接頭將雙卡套管的前卡套和后卡套用一個卡套零件代替，減少了一個零件，降低了卡套管接頭的設計、制造成本，且安裝、拆卸更加容易[8-10].

1 單卡套結構和密封原理

單卡套管接頭采用無刃口結構，有效地防止卡套切傷管子外壁，與一次性密封的刃口式卡套相比這種單卡套管接頭可多次拆卸使用.機械結構由單卡套、接頭本體和螺母組成，如圖1所示.通過合理的結構設計與管子形成可靠的金屬密封.

圖1 單卡套管接頭結構組成

單卡套管接頭的安裝密封原理如圖2所示.依次將管子穿入螺母、單卡套、接頭本體，其中螺母與接頭本體間通過螺紋連接，螺紋表面噴涂二硫化鉬等干摩擦潤滑劑，管子前端與接頭本體臺階進行限位.通過旋轉螺母對單卡套尾部施加軸向載荷，接頭本體錐面與單卡套前端接觸，阻礙卡套前進.持續旋緊螺母，單卡套將發生“弓形”變形，卡套前端向前、向下，卡套外側與接頭本體圓錐面緊密貼合，內側不斷擠壓管壁，迫使管子發生塑性變形.卡套裝配后，由于單卡套的“弓形”變形和合理的幾何形狀設計，具有一定自鎖效應，可有效地防止螺母松動.

圖2 單卡套管接頭密封原理

2 單卡套管接頭建模分析

單卡套管接頭在裝配過程中零件之間相互接觸擠壓變形而形成密封界面，涉及三種非線性：大變形引起的材料非線性、幾何非線性以及接觸界面的非線性，利用有限元分析數值方法可有效對上述接觸問題進行仿真分析[11].下面利用ABAQUS有限元仿真軟件對單卡套進行建模，并通過自適應網格技術對網格進行細化劃分，在物理解變動較大的區域網格自動密集，而在物理解變化平緩區域網格相對稀疏，做到網格點分布與物理解的耦合，從而提高解的精度和分辨率.

2.1 模型建立

在確保運算精度的前提下，可對單卡套管接頭模型進行合理、有效簡化，以提高仿真運算速度.由于單卡套管接頭除外輪廓幾何形狀外，其余全部為軸對稱結構，因此可利用ABAQUS自帶的軸對稱模型進行建模，將三維單卡套管接頭模型簡化為二維模型.具體的簡化原則如下：

(1)采用二維軸對稱模型，將三維實體模型簡化為二維平面模型；

(2)簡化與密封界面無關的外形結構，如倒角、六方等；

(3)簡化載荷施加方式，將螺紋旋緊載荷簡化為軸向位移載荷.

在Part模塊中建立單卡套管接頭各零件的二維軸對稱模型，并在Assembly模塊中完成組件裝配.

2.2 材料屬性

單卡套管接頭和管子材質均選用綜合性能較好的316L不銹鋼合金.316L不僅力學性能優異，且具有優秀的耐腐蝕性、耐高溫、抗蠕變性能.在Property模塊中創建316L材料屬性，彈性模量：210GPa，泊松比：0.3，屈服應力：205 MPa，抗拉強度：515 MPa.316塑性應力應變曲線如下圖3所示.

圖3 316L塑性階段應力、應變曲線

2.3 自適應網格劃分

自由網格劃分技術是最靈活的網格劃分技術之一，幾乎適用于任何形狀的網格劃分，常用于劃分幾何形態高度非線性的復雜模型網格.但自由網格劃分技術對網格質量、精度要求較高，網格種子分布較為密集，占用計算資源較大.而適應網格劃分則是在自由網格的基礎上，在一個接近或一致的誤差指標下，對于特定的模型和伴隨的載荷歷史變化，在運算過程中，按照一定的規則對網格自動進行二次劃分.自適應網格劃分技術可大大將定模型的計算量，提高模型計算的精確度[12].

在Mesh模塊中采用自適應網格劃分技術對結構形狀復雜的單卡套管接頭劃分網格，全局網格種子大小設定為0.5.設置網格控制規則，采用單元能量密度作為控制網格重劃分指標，自動控制誤差目標，劃分后的最大、最小單元網格大小自動計算，最大為7.5，最小為0.001 8.對于形狀簡單的鋼管，則采用自由網格進行劃分，全局網格種子大小設定為0.1.網格劃分參數如表1所示.

表1 單卡套管接頭網格劃分情況

初次劃分后的單卡套管接頭網格模型如圖4所示.

圖4 單卡套管接頭初次網格劃分

2.4 建立分析步、載荷及接觸條件

為便于仿真分析收斂和研究單卡套管接頭自鎖現象，此處共設置以下3個通用靜態分析步：

(1)第1分析步：對接頭本體和管壁左端施加全約束，螺母除y方向軸向位移外其余全約束.對螺母施加一個較小的位移載荷，0.1 mm.使卡套與接頭本體和螺母充分發生接觸，接觸分析將更加容易收斂；

(2)第2分析步：對接頭本體和管壁左端施加全約束，螺母除y方向軸向位移外其余全約束.在卡套管各零件充分接觸后，對螺母施加全部軸向位移載荷，1.25 mm，使卡套安裝到位；

(3)第3分析步：對接頭本體和管壁左端施加全約束，螺母除y方向軸向位移外其余全約束.釋放螺母軸向位移載荷，以模擬安裝后單卡套管接頭的自由狀態，研究其自鎖現象.

對單卡套管接頭所有零件之間相互接觸的表面上設置接觸特性，接觸屬性為硬接觸，鋼與鋼之間靜摩擦系數取0.15[13].

2.5 提交運算及后處理結果

在Job模塊中創建自適應分析過程，并提交運算.Abaqus將在后臺中將對模型進行3次重復運算，根據自適應網格調整規則逐次對網格進行自動優化、細分.單卡套應力仿真結果如圖5所示.

圖5 單卡套管接頭von Mises應力云圖

圖5為單卡套管接頭應力云圖的三次運算結果，可以看出采用自適應網格劃分技術，經過三次運算，網格劃分更趨合理、精細，尤其是接觸區域附近的網格明顯進行了優化處理，比圖4初次劃分的網格質量更優，von Mises應力云圖結果也更為準確.從圖5(c)第3次運算結果中可以看出單卡套前端與管子接觸表面發生明顯變形，其中單卡套最大應力為429 MPa，超過材料的屈服應力204MPa，將發生塑性變形.

研究單卡套管接頭軸向運動情況，提取Y方向位移如圖6所示.從圖6(a)、圖6(b)中可以看出，卡套在螺母的作用下分別前進0.1 mm、1.25mm.在第2分析步中，卡套沿Y方向不斷運動，前端逐步嵌入接頭本體和管子夾縫中，進而箍緊管壁，迫使管子發生塑性變形，形成一道密封.與此同時卡套管在前后的作用力下發生“弓形”變形，卡套與接頭本體圓錐面緊密貼合，從而形成第二道密封.在第3分析步中，釋放螺母位移載荷，卡套后端將無任何載荷約束.此時，螺母位移為1.236mm，相比于第2分析步末，螺母后退了0.014 mm位移.單卡套的這種鉸鏈作用將會持續對螺母施加作用力，防止螺母松動，確保單卡套管接頭即便在各種振動場合中也可保證有效密封.

圖6 單卡套管接頭軸向位移云圖

單卡套管接頭主要特性是實現密封功能，為此提取第2分析步和第3分析步的接觸壓強仿真結果，如圖7所示，以觀察卡套密封面的密封效果.

圖7 單卡套管接頭接觸壓強云圖

圖7中單卡套區域表面的接觸壓強在5MPa以上，說明該區域至少可以密封5MPa的壓力.相比于第2分析步，第3分析步末最大接觸壓強有所降低，這是由于螺母位移載荷完全釋放，單卡套彈性變形略有回復造成的.第3分析步末密封區域基本與第2分析步相當，說明即便在單卡套管接頭裝配后，螺母不再給卡套主動施加載荷，卡套依然具有良好的密封效果.

3 結論

通過上述仿真研究分析，得出以下結論:

(1)核儀表用單卡套管接頭除具有耐腐蝕、耐溫、長壽命、易安裝等特點外，還具有優良的抗振性、耐沖擊和良好的金屬密封性能，適用于核反應堆安全殼內部這種極端嚴酷工況環境的密封；

(2)通過對單卡套管接頭進行仿真分析，模擬了核儀表管接頭完整的裝配過程中的位移、應力和接觸壓強變化情況.螺母擰緊時，單卡套前后的作用力下發生“弓形”變形，最大應力為429 MPa；在卸去螺母后，螺母后退了0.014 mm，單卡套表面接觸壓強云圖略有變化，大部分區域在5MPa以上，說明單卡套具有鉸鏈作用將會持續對螺母施加作用力，防止螺母松動，確保單卡套管接頭即便在各種振動場合中也可保證有效密封.