爆破阀拉力螺栓动力学分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海核工程研究设计院 作者:祁涛

  介绍了爆破阀在AP系列核电站自动卸压系统、低压安注系统及安全壳再循环系统中的应用特性和技术要求。采用内弹道理论和动力学软件ANSYS/LS-DYNA,对爆破阀的拉力螺栓进行仿真分析,模拟了爆破阀内活塞在爆炸高压下拉断拉力螺栓的过程,得出了拉力螺栓拉断断面直径以及活塞的速度- 时间曲线与爆炸产生的压力- 时间曲线之间的关系。

  1、概述

  爆破阀是AP 系列核电站的关键和特殊设备,主要用于核电站第四级自动卸压系统、低压安注系统以及安全壳再循环系统中。其主要工作原理是在严重事故工况下,通过开启阀门信号触发爆破单元,产生的高压气体推动阀门中的活塞运动,切断阀门通径的盲管。爆破阀能够有效缓解和预防严重事故,减少了核电机组安全设备数量,改善核电机组的安全性和经济性。在爆破阀未打开前,拉力螺栓一端连接阀盖,另一端连接活塞。当接到触发阀门开启的信号时,点火器引燃爆破单元,由爆破单元产生的高压推动活塞,将拉力螺栓拉断,并保证活塞有足够的能量快速下降冲击剪断剪切盖,从而开启阀门,同时要保证阀门在爆炸高压下压力边界的完整性。本文对爆破阀的火药燃烧-拉力螺栓拉断-活塞冲击剪切盖的过程进行分析,主要采用理论公式求解和数值求解的方法,给出了压力-时间曲线和活塞的速度-时间曲线,为剪切盖冲击分析提供了初始条件。

  2、理论解析解

  2.1、爆炸物理过程方程

  爆破阀的物理过程具有单一装药内弹道学的基本特征。因此可以用单一装药内弹道学方程组进行求解。理论计算采用经典内弹道学理论,将整个过程分为三个阶段。①火药开始燃烧,螺栓未拉断,活塞速度为0,此阶段的特点是定容燃烧。② 螺栓已经拉断,活塞加速运动,加速度不断增大。③ 火药已经烧完,活塞加速运动,加速度在最大压力点之后变小,其具体计算方程为式(1) ~(5) 。

爆破阀拉力螺栓动力学分析

爆破阀拉力螺栓动力学分析

  3、数值仿真模拟

  采用ANSYS/LS-DYNA 计算模拟爆破阀内活塞在爆炸高压下拉断拉力螺栓的动态过程,得到拉力螺栓截面直径以及活塞速度- 时间曲线与爆炸产生的压力- 时间曲线之间的关系。其中,加载于活塞上的压力- 时间曲线由理论计算得到,拉力螺栓本构关系采用给定的应变率相关的应力-应变曲线。材料模型采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY,此模型可以考虑材料应变率相关的特性。拉力螺栓拉断过程见图7。

爆破阀拉力螺栓动力学分析

图7 拉力螺栓拉断过程

  当塑性应变达到某个设定值时,单元自动删除,模拟材料的拉断效应。螺栓和活塞之间的连接采用CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 连接方式。这种接触方式将螺栓从节点约束、限制在活塞主面上。这种接触仅仅约束了丛节点的平动自由度,且不考虑接触的失效,不允许丛节点的偏置。计算得出的活塞位移- 时间曲线和速度- 时间曲线见图8 和图9。

爆破阀拉力螺栓动力学分析

图8 活塞位移- 时间曲线

爆破阀拉力螺栓动力学分析

图9 活塞速度- 时间曲线

  4、结语

  爆破阀拉力螺栓拉断的过程可以利用内弹道学公式进行求解。利用Runge-Kutta 解法,得到爆破阀压力和活塞速度等参数。在数值计算中,利用ANSYS/LS-DYNA建立了有限元模型,并给出计算结果。拉力螺栓的计算结果,为后续剪切盖的计算,以及爆破阀的完整性分析提供了输入。

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