基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统的制作方法
基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于阀门结构性能评估技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统。
【背景技术】
[0002]核一级超设计基准泄压阀是当事故发生时影响反应堆安全的关键设备，其主要作用在于:当发生严重事故时，能够在压力容器失效之前及时进行泄压，以避免高压熔堆事故的产生。超设计基准泄压阀工作压力大，工作温度高，工作环境恶劣。阀门在遇到高温介质瞬间，由于承压部件具有较大壁厚，当传热不够充分时内外壁会存在较大的温差，由此产生很高的热应力，导致承压部件几何尺寸突变区域的外部产生裂缝。同时，由于受高温介质影响，阀门各部件还会发生热膨胀，由于阀门各部件的结构及材料热性能参数不同，在热负荷作用下产生的热变形并不一致，将导致阀门各部件之间的间隙发生显著变化，造成卡阻。
[0003]因此，在阀门前期开发过程中，精确计算热载荷及其效应，准确预测阀门在高温工况下的结构性能是高温阀门设计的关键环节。
[0004]由于高温阀门设计领域缺乏先进的阀门设计技术，在业内，设计高温阀门时，通常按照技术要求在参考常规阀门基础上大致确定阀门结构及各部件的几何设计参数，之后按照传统经验公式进行计算校核，再结合经验确定最终的阀门设计参数。
[0005]经业内惯用的，凭经验并借助阀门常规设计来确定阀门设计参数的阀门设计方案所得的阀门设计参数预测结果与真实情况的偏差较大，预测准确性不高，其在高温阀门设计领域的参考价值不大。此外，这种阀门设计需要进行反复试验，成本高，周期长，且样机试制成本高，会造成一些不必要的浪费。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于:针对现有技术的上述缺陷，提供一种通过模拟高温阀门运行环境，在阀门高温工况下模拟计算获得结构强度性能、结构设计合理性及质量均符合规定要求的阀门所需的阀门设计参数，且能够大大降低样机试制成本，缩短产品研发周期的阀门结构性能评估方法及系统。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，该方法包括如下步骤:
[0008]以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型；
[0009]应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理；
[0010]基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场以及该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；
[0011]计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。
[0012]本发明还提供有一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统，该系统包括:
[0013]阀门三维几何模型构建模块，用于以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何丰旲型;
[0014]网格化处理模块，用于应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理；
[0015]阀门温度场计算模块，用于基于经网格化处理的阀门三维几何模型，模拟计算该阀门随温度变化的温度场；
[0016]阀门热应力场计算模块，用于根据该阀门随温度变化的温度场模拟计算该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；以及
[0017]阀门结构性能评估模块，用于计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。
[0018]—方面，通过实施本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统，不仅能够获得较高的阀门温度及热应力计算精度，还能在阀门初步设计阶段就能获得整个阀门的温度及热应力分布的详细信息，根据阀门温度及热应力分布的详细信息对高温工况下的阀门结构性能及结构设计合理性进行准确评估，判断阀门承压部件的结构强度是否达到规定的产品设计要求，以此排查可能存在故障隐患的阀门，排除阀门在高温工况下运行可能存在的安全隐患，防止阀门出现弹性失效，局部失效以及结构卡阻，提高阀门的运行安全性，进而提高核电厂运行的安全性。
[0019]另一方面，本发明还可基于反复执行上述阀门结构性能评估方法所测的阀门变形量对阀门进行多次改良及优化设计，直至获得结构性能及结构设计合理性均达到优质阀门产品要求的阀门设计参数。因此，本发明可以通过建模计算得到结构设计合理，结构强度可靠的高品质阀门所需的阀门设计参数，可提高核电厂运行的安全性，同时减少样机试制成本，缩短阀门产品研发周期。同时减少样机试制成本，节省样机试验的成本，缩短阀门产品研发周期。
【附图说明】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统进行详细说明，其中:
[0021]图1为本发明第一个较佳实施例提供的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法的流程图；
[0022]图2为图1中包含的高温阀门温度场及热应力场计算方法的流程图；
[0023]图3为图1中包含的高温阀门整体结构性能评估方法的流程图；
[0024]图4为图1中包含的高温阀门局部结构性能评估方法的流程图；
[0025]图5为本发明第二个较佳实施例提供的基于高温阀门受压变形结果的高温阀门结构设计改良方法的流程图；
[0026]图6为本发明第三个较佳实施例提供的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统的结构框图；
[0027]图7为图6所示的阀门温度场计算模块的结构框图；
[0028]图8为图6所示的阀门结构性能评估模块的结构框图。
【具体实施方式】
[0029]为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和【具体实施方式】，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的【具体实施方式】仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
[0030]针对现有技术中只能在参考常规阀门基础上大致确定阀门结构及各部件的几何设计参数，通过反复试验对超设计基准泄压阀在高温工况下的结构性能进行预测，成本高，周期长，且造成不必要的浪费的技术缺陷，本发明提出了一种可解决上述技术缺陷的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法。下面以超设计基准泄压阀为例，对本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法进行具体说明:
[0031]如图1所示，该方法包括以下步骤:
[0032]S100、以阀门的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型。阀门部件包括阀体、阀盖、支架、阀杆、阀瓣、连接螺栓以及必要的内部件。该阀门三维几何模型的坐标系采用直角坐标系，坐标系的原点在阀体的流道中心，YZ平面应与阀体的对称面重合。
[0033]S200、应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理。在该步骤S200中，将有限元软件的几何处理模块导入阀门三维几何模型，进行几何体的规则剖分、几何细节清理与简化。对几何体结构中非重点关注或应力、变形较小的区域，如影响网格划分的小孔、倒角、圆角、尖细面等特征删除。网格划分以六面体为主的混合单元，阀门整体模型各部件之间的联接主要通过网格节点连接，建立接触对的方法进行处理。
[0034]S300、基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场以及该阀门承压部件受温度载荷的热应力场。在步骤S300中，在与高温介质接触的阀体内腔及其它内部件表面施加高温，考察阀门的温度场分布情况，对阀门进行瞬态热分析。在阀门热应力计算环节，将阀门温度场结果作为体载荷施加到结构分析模型，主要考察高温对阀门结构应力及变形的影响。由于直接在阀体进出口端面施加全约束，会在阀体两端面及其附近产生高达几千MPa的热应力，这与实际不符。故在本实施例中，不考虑位移边界条件，而采用惯性释放技术，把阀门视为等效自由体进行求解。
[0035]S400、计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。在步骤S400中，需要考虑压力等机械载荷，计算阀门承压部件受到温度载荷和机械载荷共同作用时的总应力。较佳地，先对阀门施加包括最大压力为17.23MPa、关闭扭矩为2000N.m、螺栓预紧力为35000N和24000N的机械载荷，再进行热固耦合计算。
[0036]由上可知，应用本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，不仅能够获得较高的阀门温度及热应力计算精度，还能在阀门初步设计阶段就能获得整个阀门的温度及热应力分布的详细信息，根据阀门温度及热应力分布的详细信息对高温工况下的阀门结构性能及结构设计合理性 进行准确评估，判断阀门承压部件的结构强度是否达到规定的产品设计要求，以此排查可能存在故障隐患的阀门，排除阀门在高温工况下运行可能存在的安全隐患，防止阀门出现弹性失效，局部失效以及结构卡阻，提高阀门的运行安全性，进而提高核电厂运行的安全性。
[0037]如图2所示，该步骤S300具体包括:
[0038]S301、设定温度场计算边界条件。该温度场计算边界条件包括工况温度、对流传热系数和辐射率。其中，温度施加在于高温介质接触的阀体内腔及其它内部件表面上，对流传热系数及辐射在阀门外壁与空气接触表面上，环境温度及阀门初始温度根据实际工况进行设置。较佳地，在于高温介质接触的阀体内腔及其它内部件表面施加温度360°C，空气对流传热系数为10W/(m2.K)，辐射率为0.85，环境温度及阀门初始温度为22°C。
[0039]S302、根据设定的温度场边界计算条件对该阀门进行瞬态热分析，获得该阀门随时间变化的瞬态温度场结果。对该阀门随时间变化的温度场结果进行分析及评价，主要考察阀体沿壁厚方向的温度变化，阀盖沿壁厚及垂直方向的温度变化，阀杆沿杆长方向的温度变化。需要说明的是:在本发明中，主要使用阀体及阀杆材料的参数进行阀门温度场分析，对于其它不同材料部件，由于这些部件对阀门的整体温度场及热应力场的影响较小，并且热特性参数相差不大，因此，在阀门温度场分析中，统一采用上述材料相近替代。
[0040]S303、将该瞬态温度场结果作为热应力计算的热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。将该热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，不考虑位移边界条件，采用惯性释放技术，把阀门视为等效自由体进行热应力计算。对阀门进行热应力计算主要考察温度对阀门结构应力及变形的影响。
[0041]在上述步骤S302及S303中，基于同一阀门三维几何体模型对该阀门进行温度场及热应力场分析。
[0042]如图3所示，该步骤S400具体包括:
[0043]S401、计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总体(比如阀体、阀盖及阀杆)热应力。
[0044]S402、将该总体热应力与预设的阀门可承受的总体热应力阈值(即阀门材料屈服强度的2倍，又或许用应力值的3倍)进行比较。
[0045]S403、判断该总体热应力是否小于该总体热应力阈值，该总体热应力阈值等值于3倍的许用应力值。如是，则执行步骤S404;否则，执行步骤S405。
[0046]步骤S404、判定该阀门符合规定的阀门总体结构强度设计标准。
[0047]步骤S405、判定该阀门总体结构强度设计不达标。
[0048]在本实施例中，在总体热应力较大的区域，阀体和阀盖的最大热应力分别为82Mpa及54MPa，均小于3倍的许用应力值(即预设的阀门可承受的总体热应力阈值)，可据此判定该阀门整体结构强度设计符合规定的阀门总体强度设计标准，该阀门可安全使用。否则，该阀门整体结构强度设计不符合规定的阀门总体强度设计标准，如继续使用该阀门，则可能存在安全隐患。
[0049]可选地，如图4所示，该步骤S400还包括:
[0050]S401'、计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的局部(例如阀盖)热应力。
[0051]S402、将该局部热应力与预设的阀门可承受的局部热应力阈值进行比较。
[0052]S403、判断该局部热应力是否小于该局部热应力阈值。如是，则执行步骤S404;否贝1J，执行步骤S405。
[0053]S404'、判定该阀门符合规定的阀门局部结构强度设计标准。
[0054]S4057、判定该阀门局部结构强度设计不达标。
[0055]对于阀杆，比如，在本实施例中，阀杆头部产生的局部热应力值约为849MPa，小于4倍的许用应力值(即预设的阀门可承受的局部热应力阈值)，则该阀杆不会发生局部失效，可据此判定，该阀门局部结构强度设计符合规定的阀门局部结构强度设计标准。否则，判定该阀门局部结构强度设计不符合规定的阀门局部结构强度设计标准，如继续使用该阀门，则可能存在安全隐患。
[0056]进一步地，本发明在步骤S400之后还包括:
[0057]S500、计算作用于该阀门承压部件的总体热应力及局部热应力致使该阀门产生的变形量(即该阀门承压部件之间横向的相对变形量以及阀杆的纵向变形量)。对阀门受热应力作用产生的变形程度进行分析及评价，可防止阀门结构卡阻。
[0058]S600、根据该阀门产生的变形量对该阀门进行优化设计或改良。优选地，基于多次检测的该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量对该阀门进行反复的优化设计及改良。
[0059]由本实施例可知，本发明进一步提出了一种基于阀门结构变形结果的阀门设计改良方法。该阀门设计改良方法可基于重复执行上述阀门结构性能评估方法所得的阀门变形量对阀门进行反复改良及优化设计，直至得到结构强度及设计合理性均符合高品质阀门要求的阀门设计参数，以确保阀门设计的合理性及阀门结构强度的可靠性，同时减少了样机试制成本，节省了样机试验的成本，缩短了阀门产品研发周期。
[0060]基于图1至图5所示的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，本发明还提出了一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统。下面将以核一级超设计基准泄压阀为例对该系统进行详细说明:
[0061]如图6所示，该基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统包括:
[0062]阀门三维几何模型构建模块100，用于以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型；
[0063]网格化处理模块200，用于应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理；
[0064]阀门温度场计算模块300，用于基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场；
[0065]阀门热应力场计算模块400，用于基于经网格化处理的阀门三维几何模型并根据该阀门随温度变化的温度场模拟计算该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；以及
[0066]阀门结构性能评估模块500，用于计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。
[0067]如图7所示，该阀门温度场计算模块300具体包括:
[0068]阀门温度场计算边界条件设定单元301，用于设定包括工况温度、对流传热系数及辐射率的温度场计算边界条件；以及
[0069]阀门瞬态热分析单元302，用于根据设定的温度场计算边界条件对该阀门进行瞬态热分析，获得该阀门随时间变化的瞬态温度场结果;该瞬态温度场结果表征阀体沿壁厚方向的温度变化，阀盖沿壁厚及垂直方向的温度变化，以及阀杆沿杆长方向的温度变化。
[0070]进一步地，请结合图6，该系统还包括:
[0071 ]阀门结构合理性评估模块700，用于设定阀门结构合理性判定条件，以及判断该瞬态温度场结果是否满足设定的阀门结构设计合理性判定条件，进而对该阀门结构设计合理性作出评估。
[0072]判断该阀门瞬态温度场结果是否满足该阀门结构设计合理性判定条件需要考虑以下几点:a、阀门承压部件内外壁径温差应控制在10°C以内；b、填料函处的温度应根据填料要求控制在一定范围内；c、阀杆的纵向温差不能超过规定的温差阈值。
[0073]该热应力场计算模块相应用于接收该阀门瞬态热分析单元302提供的该阀门的瞬态温度场结果，将该阀门的瞬态温度场结果作为热应力计算的热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。
[0074]如图8所示，该阀门结构性能评估模块500具体包括:
[0075]阀门整体结构强度评估单元501，用于预设阀门可承受的总体应力阈值，并判断该阀门承压部件的总体热应力是否达到或超过预设的该阀门可承受的总体应力阈值，根据判断结果判定该阀门结构强度是否满足阀门总体结构强度质量标准；以及
[0076]阀门局部结构强度评估单元502，用于预设阀门可承受的局部热应力阈值，并判断该阀门阀盖的热应力是否超出预设的阀门可承受的局部应力阈值，根据判断结果判定该阀门阀盖的结构强度是否达到阀门局部结构强度设计标准。
[0077]进一步地，请参考图6，该系统还包括:
[0078]阀门受压变形检测模块600，用于检测作用于该阀门承压部件的总体热应力及局部热应力导致该阀门产生的变形量，以便为该阀门结构设计改良提供参考依据;其中，该阀门产生的变形量包括该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量。
[0079]本发明系统管理人员可基于该阀门变 形量检测模块所测阀门承压部件之间横向的相对变形量及阀门阀杆的纵向变形量，对该阀门进行优化设计及改良，以得到结构设计合理可靠，且结构强度性能符合规定标准的阀门。
[0080]综上所述，一方面，通过实施本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统，不仅能够获得较高的阀门温度及热应力计算精度，还能在阀门初步设计阶段就能获得整个阀门的温度及热应力分布的详细信息，根据阀门温度及热应力分布的详细信息对高温工况下的阀门结构性能及结构设计合理性进行准确评估，判断阀门承压部件的结构强度是否达到规定的产品设计要求，以此排查可能存在故障隐患的阀门，排除阀门在高温工况下运行可能存在的安全隐患，防止阀门出现弹性失效，局部失效以及结构卡阻，提高阀门的运行安全性，进而提高核电厂运行的安全性。
[0081]另一方面，本发明还可基于反复执行上述阀门结构性能评估方法所测的阀门变形量对阀门进行多次改良及优化设计，直至获得结构性能及结构设计合理性均达到优质阀门产品要求的阀门设计参数。因此，本发明可以通过建模计算得到结构设计合理，结构强度可靠的高品质阀门所需的阀门设计参数，可提高核电厂运行的安全性，同时减少样机试制成本，缩短阀门产品研发周期。同时减少样机试制成本，节省样机试验的成本，缩短阀门产品研发周期。
[0082]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read Only Memory，R0M)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
[0083]上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【主权项】
1.一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型； 应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理； 基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场以及该阀门承压部件受温度载荷的热应力场； 计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。2.根据权利要求1所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，计算该阀门随温度变化的温度场的步骤具体包括: 设定温度场计算边界条件，该温度场计算边界条件包括工况温度、对流传热系数及辐射率； 根据设定的温度场计算边界条件对该阀门进行瞬态热分析，获得该阀门随时间变化的瞬态温度场结果;该瞬态温度场结果用于表征阀体沿壁厚方向的温度变化，阀盖沿壁厚及垂直方向的温度变化，以及阀杆沿杆长方向的温度变化。3.根据权利要求2所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，该方法在完成该阀门随温度变化的温度场的计算之后还包括: 根据该阀门的瞬态温度场结果及预设的阀门结构设计合理性判定条件对该阀门结构设计合理性作出评估。4.根据权利要求1所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，计算该阀门的承压部件受温度载荷的热应力场的步骤具体包括: 接收该阀门的瞬态温度场结果，将该阀门的瞬态温度场结果作为热应力计算的热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。5.根据权利要求4所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估的步骤具体包括: 判断该阀门承压部件的总体热应力是否超出规定的阀门可承受的总体应力阈值，根据判断结果判定该阀门是否达到阀门总体结构强度设计标准；以及 判断该阀门承载压部件的局部热应力是否超出规定的阀门可承受的局部应力阈值，根据判断结果判定该阀门局部结构强度是否达到阀门局部结构强度设计标准。6.根据权利要求5所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，该方法在完成该阀门结构性能评估之后还包括: 检测作用于该阀门承压部件的总体热应力及局部热应力致使该阀门产生的变形量，即该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量； 基于多次检测的该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量对该阀门进行反复的优化设计及改良。7.—种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该系统包括: 阀门三维几何模型构建模块，用于以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型； 网格化处理模块，用于应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理； 阀门温度场计算模块，用于基于经网格化处理的阀门三维几何模型，模拟计算该阀门随温度变化的温度场； 阀门热应力场计算模块，用于根据该阀门随温度变化的温度场模拟计算该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；以及 阀门结构性能评估模块，用于计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。8.根据权利要求7所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该阀门温度场计算丰吴块包括: 阀门温度场计算边界条件设定单元，用于设定包括工况温度、对流传热系数及辐射率的温度场计算边界条件；以及 阀门瞬态热分析单元，用于根据设定的温度场计算边界条件对该阀门进行瞬态热分析，获得该阀门随时间变化的瞬态温度场结果;该瞬态温度场结果表征阀体沿壁厚方向的温度变化，阀盖沿壁厚及垂直方向的温度变化，以及阀杆沿杆长方向的温度变化。9.根据权利要求8所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该系统还包括: 阀门结构合理性评估模块，用于设定阀门结构合理性判定条件，以及判断该瞬态温度场结果是否满足设定的阀门结构设计合理性判定条件，进而对该阀门结构设计合理性作出评估。10.根据权利要求8所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该热应力场计算模块具体用于接收该阀门瞬态热分析单元提供的该瞬态温度场结果，将该瞬态温度场结果作为热应力计算的热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。 用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。11.根据权利要求10所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该阀门结构性能评估模块具体包括: 阀门整体结构强度评估单元，用于预设阀门可承受的总体应力阈值，并判断该阀门承压部件的总体热应力是否达到或超过预设的该阀门可承受的总体应力阈值，根据判断结果判定该阀门结构强度是否满足阀门总体结构强度质量标准；以及 阀门局部结构强度评估单元，用于预设阀门可承受的局部热应力阈值，并判断该阀门阀盖的热应力是否超出预设的阀门可承受的局部应力阈值，根据判断结果判定该阀门阀盖的结构强度是否达到阀门局部结构强度设计标准。12.根据权利要求11所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该系统还包括: 阀门受压变形检测模块，用于检测作用于该阀门承压部件的总体热应力及局部热应力导致该阀门产生的变形量，以便为该阀门结构优化设计及改良提供参考依据;其中，该阀门产生的变形量包括该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统。该方法包括：以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型；应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理；基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场以及该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。本发明通过建模计算得到结构设计合理，结构强度可靠的高品质阀门所需的阀门设计参数，可提高核电厂运行的安全性，同时减少样机试制成本，缩短阀门产品研发周期。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105488292
【申请号】CN201510925725
【发明人】杨广宏, 茹善宏, 陈天敏, 沈锦花, 丛国辉, 马明美, 柯泽勇, 姚青, 吴敬普, 王龙骧
【申请人】中广核工程有限公司, 中国广核集团有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月14日
【技术领域】
[0001]本发明属于阀门结构性能评估技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统。
【背景技术】
[0002]核一级超设计基准泄压阀是当事故发生时影响反应堆安全的关键设备，其主要作用在于:当发生严重事故时，能够在压力容器失效之前及时进行泄压，以避免高压熔堆事故的产生。超设计基准泄压阀工作压力大，工作温度高，工作环境恶劣。阀门在遇到高温介质瞬间，由于承压部件具有较大壁厚，当传热不够充分时内外壁会存在较大的温差，由此产生很高的热应力，导致承压部件几何尺寸突变区域的外部产生裂缝。同时，由于受高温介质影响，阀门各部件还会发生热膨胀，由于阀门各部件的结构及材料热性能参数不同，在热负荷作用下产生的热变形并不一致，将导致阀门各部件之间的间隙发生显著变化，造成卡阻。
[0003]因此，在阀门前期开发过程中，精确计算热载荷及其效应，准确预测阀门在高温工况下的结构性能是高温阀门设计的关键环节。
[0004]由于高温阀门设计领域缺乏先进的阀门设计技术，在业内，设计高温阀门时，通常按照技术要求在参考常规阀门基础上大致确定阀门结构及各部件的几何设计参数，之后按照传统经验公式进行计算校核，再结合经验确定最终的阀门设计参数。
[0005]经业内惯用的，凭经验并借助阀门常规设计来确定阀门设计参数的阀门设计方案所得的阀门设计参数预测结果与真实情况的偏差较大，预测准确性不高，其在高温阀门设计领域的参考价值不大。此外，这种阀门设计需要进行反复试验，成本高，周期长，且样机试制成本高，会造成一些不必要的浪费。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于:针对现有技术的上述缺陷，提供一种通过模拟高温阀门运行环境，在阀门高温工况下模拟计算获得结构强度性能、结构设计合理性及质量均符合规定要求的阀门所需的阀门设计参数，且能够大大降低样机试制成本，缩短产品研发周期的阀门结构性能评估方法及系统。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，该方法包括如下步骤:
[0008]以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型；
[0009]应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理；
[0010]基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场以及该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；
[0011]计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。
[0012]本发明还提供有一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统，该系统包括:
[0013]阀门三维几何模型构建模块，用于以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何丰旲型;
[0014]网格化处理模块，用于应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理；
[0015]阀门温度场计算模块，用于基于经网格化处理的阀门三维几何模型，模拟计算该阀门随温度变化的温度场；
[0016]阀门热应力场计算模块，用于根据该阀门随温度变化的温度场模拟计算该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；以及
[0017]阀门结构性能评估模块，用于计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。
[0018]—方面，通过实施本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统，不仅能够获得较高的阀门温度及热应力计算精度，还能在阀门初步设计阶段就能获得整个阀门的温度及热应力分布的详细信息，根据阀门温度及热应力分布的详细信息对高温工况下的阀门结构性能及结构设计合理性进行准确评估，判断阀门承压部件的结构强度是否达到规定的产品设计要求，以此排查可能存在故障隐患的阀门，排除阀门在高温工况下运行可能存在的安全隐患，防止阀门出现弹性失效，局部失效以及结构卡阻，提高阀门的运行安全性，进而提高核电厂运行的安全性。
[0019]另一方面，本发明还可基于反复执行上述阀门结构性能评估方法所测的阀门变形量对阀门进行多次改良及优化设计，直至获得结构性能及结构设计合理性均达到优质阀门产品要求的阀门设计参数。因此，本发明可以通过建模计算得到结构设计合理，结构强度可靠的高品质阀门所需的阀门设计参数，可提高核电厂运行的安全性，同时减少样机试制成本，缩短阀门产品研发周期。同时减少样机试制成本，节省样机试验的成本，缩短阀门产品研发周期。
【附图说明】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统进行详细说明，其中:
[0021]图1为本发明第一个较佳实施例提供的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法的流程图；
[0022]图2为图1中包含的高温阀门温度场及热应力场计算方法的流程图；
[0023]图3为图1中包含的高温阀门整体结构性能评估方法的流程图；
[0024]图4为图1中包含的高温阀门局部结构性能评估方法的流程图；
[0025]图5为本发明第二个较佳实施例提供的基于高温阀门受压变形结果的高温阀门结构设计改良方法的流程图；
[0026]图6为本发明第三个较佳实施例提供的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统的结构框图；
[0027]图7为图6所示的阀门温度场计算模块的结构框图；
[0028]图8为图6所示的阀门结构性能评估模块的结构框图。
【具体实施方式】
[0029]为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和【具体实施方式】，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的【具体实施方式】仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
[0030]针对现有技术中只能在参考常规阀门基础上大致确定阀门结构及各部件的几何设计参数，通过反复试验对超设计基准泄压阀在高温工况下的结构性能进行预测，成本高，周期长，且造成不必要的浪费的技术缺陷，本发明提出了一种可解决上述技术缺陷的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法。下面以超设计基准泄压阀为例，对本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法进行具体说明:
[0031]如图1所示，该方法包括以下步骤:
[0032]S100、以阀门的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型。阀门部件包括阀体、阀盖、支架、阀杆、阀瓣、连接螺栓以及必要的内部件。该阀门三维几何模型的坐标系采用直角坐标系，坐标系的原点在阀体的流道中心，YZ平面应与阀体的对称面重合。
[0033]S200、应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理。在该步骤S200中，将有限元软件的几何处理模块导入阀门三维几何模型，进行几何体的规则剖分、几何细节清理与简化。对几何体结构中非重点关注或应力、变形较小的区域，如影响网格划分的小孔、倒角、圆角、尖细面等特征删除。网格划分以六面体为主的混合单元，阀门整体模型各部件之间的联接主要通过网格节点连接，建立接触对的方法进行处理。
[0034]S300、基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场以及该阀门承压部件受温度载荷的热应力场。在步骤S300中，在与高温介质接触的阀体内腔及其它内部件表面施加高温，考察阀门的温度场分布情况，对阀门进行瞬态热分析。在阀门热应力计算环节，将阀门温度场结果作为体载荷施加到结构分析模型，主要考察高温对阀门结构应力及变形的影响。由于直接在阀体进出口端面施加全约束，会在阀体两端面及其附近产生高达几千MPa的热应力，这与实际不符。故在本实施例中，不考虑位移边界条件，而采用惯性释放技术，把阀门视为等效自由体进行求解。
[0035]S400、计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。在步骤S400中，需要考虑压力等机械载荷，计算阀门承压部件受到温度载荷和机械载荷共同作用时的总应力。较佳地，先对阀门施加包括最大压力为17.23MPa、关闭扭矩为2000N.m、螺栓预紧力为35000N和24000N的机械载荷，再进行热固耦合计算。
[0036]由上可知，应用本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，不仅能够获得较高的阀门温度及热应力计算精度，还能在阀门初步设计阶段就能获得整个阀门的温度及热应力分布的详细信息，根据阀门温度及热应力分布的详细信息对高温工况下的阀门结构性能及结构设计合理性 进行准确评估，判断阀门承压部件的结构强度是否达到规定的产品设计要求，以此排查可能存在故障隐患的阀门，排除阀门在高温工况下运行可能存在的安全隐患，防止阀门出现弹性失效，局部失效以及结构卡阻，提高阀门的运行安全性，进而提高核电厂运行的安全性。
[0037]如图2所示，该步骤S300具体包括:
[0038]S301、设定温度场计算边界条件。该温度场计算边界条件包括工况温度、对流传热系数和辐射率。其中，温度施加在于高温介质接触的阀体内腔及其它内部件表面上，对流传热系数及辐射在阀门外壁与空气接触表面上，环境温度及阀门初始温度根据实际工况进行设置。较佳地，在于高温介质接触的阀体内腔及其它内部件表面施加温度360°C，空气对流传热系数为10W/(m2.K)，辐射率为0.85，环境温度及阀门初始温度为22°C。
[0039]S302、根据设定的温度场边界计算条件对该阀门进行瞬态热分析，获得该阀门随时间变化的瞬态温度场结果。对该阀门随时间变化的温度场结果进行分析及评价，主要考察阀体沿壁厚方向的温度变化，阀盖沿壁厚及垂直方向的温度变化，阀杆沿杆长方向的温度变化。需要说明的是:在本发明中，主要使用阀体及阀杆材料的参数进行阀门温度场分析，对于其它不同材料部件，由于这些部件对阀门的整体温度场及热应力场的影响较小，并且热特性参数相差不大，因此，在阀门温度场分析中，统一采用上述材料相近替代。
[0040]S303、将该瞬态温度场结果作为热应力计算的热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。将该热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，不考虑位移边界条件，采用惯性释放技术，把阀门视为等效自由体进行热应力计算。对阀门进行热应力计算主要考察温度对阀门结构应力及变形的影响。
[0041]在上述步骤S302及S303中，基于同一阀门三维几何体模型对该阀门进行温度场及热应力场分析。
[0042]如图3所示，该步骤S400具体包括:
[0043]S401、计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总体(比如阀体、阀盖及阀杆)热应力。
[0044]S402、将该总体热应力与预设的阀门可承受的总体热应力阈值(即阀门材料屈服强度的2倍，又或许用应力值的3倍)进行比较。
[0045]S403、判断该总体热应力是否小于该总体热应力阈值，该总体热应力阈值等值于3倍的许用应力值。如是，则执行步骤S404;否则，执行步骤S405。
[0046]步骤S404、判定该阀门符合规定的阀门总体结构强度设计标准。
[0047]步骤S405、判定该阀门总体结构强度设计不达标。
[0048]在本实施例中，在总体热应力较大的区域，阀体和阀盖的最大热应力分别为82Mpa及54MPa，均小于3倍的许用应力值(即预设的阀门可承受的总体热应力阈值)，可据此判定该阀门整体结构强度设计符合规定的阀门总体强度设计标准，该阀门可安全使用。否则，该阀门整体结构强度设计不符合规定的阀门总体强度设计标准，如继续使用该阀门，则可能存在安全隐患。
[0049]可选地，如图4所示，该步骤S400还包括:
[0050]S401'、计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的局部(例如阀盖)热应力。
[0051]S402、将该局部热应力与预设的阀门可承受的局部热应力阈值进行比较。
[0052]S403、判断该局部热应力是否小于该局部热应力阈值。如是，则执行步骤S404;否贝1J，执行步骤S405。
[0053]S404'、判定该阀门符合规定的阀门局部结构强度设计标准。
[0054]S4057、判定该阀门局部结构强度设计不达标。
[0055]对于阀杆，比如，在本实施例中，阀杆头部产生的局部热应力值约为849MPa，小于4倍的许用应力值(即预设的阀门可承受的局部热应力阈值)，则该阀杆不会发生局部失效，可据此判定，该阀门局部结构强度设计符合规定的阀门局部结构强度设计标准。否则，判定该阀门局部结构强度设计不符合规定的阀门局部结构强度设计标准，如继续使用该阀门，则可能存在安全隐患。
[0056]进一步地，本发明在步骤S400之后还包括:
[0057]S500、计算作用于该阀门承压部件的总体热应力及局部热应力致使该阀门产生的变形量(即该阀门承压部件之间横向的相对变形量以及阀杆的纵向变形量)。对阀门受热应力作用产生的变形程度进行分析及评价，可防止阀门结构卡阻。
[0058]S600、根据该阀门产生的变形量对该阀门进行优化设计或改良。优选地，基于多次检测的该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量对该阀门进行反复的优化设计及改良。
[0059]由本实施例可知，本发明进一步提出了一种基于阀门结构变形结果的阀门设计改良方法。该阀门设计改良方法可基于重复执行上述阀门结构性能评估方法所得的阀门变形量对阀门进行反复改良及优化设计，直至得到结构强度及设计合理性均符合高品质阀门要求的阀门设计参数，以确保阀门设计的合理性及阀门结构强度的可靠性，同时减少了样机试制成本，节省了样机试验的成本，缩短了阀门产品研发周期。
[0060]基于图1至图5所示的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，本发明还提出了一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统。下面将以核一级超设计基准泄压阀为例对该系统进行详细说明:
[0061]如图6所示，该基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统包括:
[0062]阀门三维几何模型构建模块100，用于以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型；
[0063]网格化处理模块200，用于应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理；
[0064]阀门温度场计算模块300，用于基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场；
[0065]阀门热应力场计算模块400，用于基于经网格化处理的阀门三维几何模型并根据该阀门随温度变化的温度场模拟计算该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；以及
[0066]阀门结构性能评估模块500，用于计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。
[0067]如图7所示，该阀门温度场计算模块300具体包括:
[0068]阀门温度场计算边界条件设定单元301，用于设定包括工况温度、对流传热系数及辐射率的温度场计算边界条件；以及
[0069]阀门瞬态热分析单元302，用于根据设定的温度场计算边界条件对该阀门进行瞬态热分析，获得该阀门随时间变化的瞬态温度场结果;该瞬态温度场结果表征阀体沿壁厚方向的温度变化，阀盖沿壁厚及垂直方向的温度变化，以及阀杆沿杆长方向的温度变化。
[0070]进一步地，请结合图6，该系统还包括:
[0071 ]阀门结构合理性评估模块700，用于设定阀门结构合理性判定条件，以及判断该瞬态温度场结果是否满足设定的阀门结构设计合理性判定条件，进而对该阀门结构设计合理性作出评估。
[0072]判断该阀门瞬态温度场结果是否满足该阀门结构设计合理性判定条件需要考虑以下几点:a、阀门承压部件内外壁径温差应控制在10°C以内；b、填料函处的温度应根据填料要求控制在一定范围内；c、阀杆的纵向温差不能超过规定的温差阈值。
[0073]该热应力场计算模块相应用于接收该阀门瞬态热分析单元302提供的该阀门的瞬态温度场结果，将该阀门的瞬态温度场结果作为热应力计算的热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。
[0074]如图8所示，该阀门结构性能评估模块500具体包括:
[0075]阀门整体结构强度评估单元501，用于预设阀门可承受的总体应力阈值，并判断该阀门承压部件的总体热应力是否达到或超过预设的该阀门可承受的总体应力阈值，根据判断结果判定该阀门结构强度是否满足阀门总体结构强度质量标准；以及
[0076]阀门局部结构强度评估单元502，用于预设阀门可承受的局部热应力阈值，并判断该阀门阀盖的热应力是否超出预设的阀门可承受的局部应力阈值，根据判断结果判定该阀门阀盖的结构强度是否达到阀门局部结构强度设计标准。
[0077]进一步地，请参考图6，该系统还包括:
[0078]阀门受压变形检测模块600，用于检测作用于该阀门承压部件的总体热应力及局部热应力导致该阀门产生的变形量，以便为该阀门结构设计改良提供参考依据;其中，该阀门产生的变形量包括该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量。
[0079]本发明系统管理人员可基于该阀门变 形量检测模块所测阀门承压部件之间横向的相对变形量及阀门阀杆的纵向变形量，对该阀门进行优化设计及改良，以得到结构设计合理可靠，且结构强度性能符合规定标准的阀门。
[0080]综上所述，一方面，通过实施本发明基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统，不仅能够获得较高的阀门温度及热应力计算精度，还能在阀门初步设计阶段就能获得整个阀门的温度及热应力分布的详细信息，根据阀门温度及热应力分布的详细信息对高温工况下的阀门结构性能及结构设计合理性进行准确评估，判断阀门承压部件的结构强度是否达到规定的产品设计要求，以此排查可能存在故障隐患的阀门，排除阀门在高温工况下运行可能存在的安全隐患，防止阀门出现弹性失效，局部失效以及结构卡阻，提高阀门的运行安全性，进而提高核电厂运行的安全性。
[0081]另一方面，本发明还可基于反复执行上述阀门结构性能评估方法所测的阀门变形量对阀门进行多次改良及优化设计，直至获得结构性能及结构设计合理性均达到优质阀门产品要求的阀门设计参数。因此，本发明可以通过建模计算得到结构设计合理，结构强度可靠的高品质阀门所需的阀门设计参数，可提高核电厂运行的安全性，同时减少样机试制成本，缩短阀门产品研发周期。同时减少样机试制成本，节省样机试验的成本，缩短阀门产品研发周期。
[0082]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read Only Memory，R0M)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
[0083]上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【主权项】
1.一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型； 应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理； 基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场以及该阀门承压部件受温度载荷的热应力场； 计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。2.根据权利要求1所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，计算该阀门随温度变化的温度场的步骤具体包括: 设定温度场计算边界条件，该温度场计算边界条件包括工况温度、对流传热系数及辐射率； 根据设定的温度场计算边界条件对该阀门进行瞬态热分析，获得该阀门随时间变化的瞬态温度场结果;该瞬态温度场结果用于表征阀体沿壁厚方向的温度变化，阀盖沿壁厚及垂直方向的温度变化，以及阀杆沿杆长方向的温度变化。3.根据权利要求2所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，该方法在完成该阀门随温度变化的温度场的计算之后还包括: 根据该阀门的瞬态温度场结果及预设的阀门结构设计合理性判定条件对该阀门结构设计合理性作出评估。4.根据权利要求1所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，计算该阀门的承压部件受温度载荷的热应力场的步骤具体包括: 接收该阀门的瞬态温度场结果，将该阀门的瞬态温度场结果作为热应力计算的热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。5.根据权利要求4所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估的步骤具体包括: 判断该阀门承压部件的总体热应力是否超出规定的阀门可承受的总体应力阈值，根据判断结果判定该阀门是否达到阀门总体结构强度设计标准；以及 判断该阀门承载压部件的局部热应力是否超出规定的阀门可承受的局部应力阈值，根据判断结果判定该阀门局部结构强度是否达到阀门局部结构强度设计标准。6.根据权利要求5所述的基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法，其特征在于，该方法在完成该阀门结构性能评估之后还包括: 检测作用于该阀门承压部件的总体热应力及局部热应力致使该阀门产生的变形量，即该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量； 基于多次检测的该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量对该阀门进行反复的优化设计及改良。7.—种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该系统包括: 阀门三维几何模型构建模块，用于以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型； 网格化处理模块，用于应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理； 阀门温度场计算模块，用于基于经网格化处理的阀门三维几何模型，模拟计算该阀门随温度变化的温度场； 阀门热应力场计算模块，用于根据该阀门随温度变化的温度场模拟计算该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；以及 阀门结构性能评估模块，用于计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。8.根据权利要求7所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该阀门温度场计算丰吴块包括: 阀门温度场计算边界条件设定单元，用于设定包括工况温度、对流传热系数及辐射率的温度场计算边界条件；以及 阀门瞬态热分析单元，用于根据设定的温度场计算边界条件对该阀门进行瞬态热分析，获得该阀门随时间变化的瞬态温度场结果;该瞬态温度场结果表征阀体沿壁厚方向的温度变化，阀盖沿壁厚及垂直方向的温度变化，以及阀杆沿杆长方向的温度变化。9.根据权利要求8所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该系统还包括: 阀门结构合理性评估模块，用于设定阀门结构合理性判定条件，以及判断该瞬态温度场结果是否满足设定的阀门结构设计合理性判定条件，进而对该阀门结构设计合理性作出评估。10.根据权利要求8所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该热应力场计算模块具体用于接收该阀门瞬态热分析单元提供的该瞬态温度场结果，将该瞬态温度场结果作为热应力计算的热载荷输入条件导入该阀门三维几何模型，用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。 用以计算该阀门承压部件受温度载荷时的热应力。11.根据权利要求10所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该阀门结构性能评估模块具体包括: 阀门整体结构强度评估单元，用于预设阀门可承受的总体应力阈值，并判断该阀门承压部件的总体热应力是否达到或超过预设的该阀门可承受的总体应力阈值，根据判断结果判定该阀门结构强度是否满足阀门总体结构强度质量标准；以及 阀门局部结构强度评估单元，用于预设阀门可承受的局部热应力阈值，并判断该阀门阀盖的热应力是否超出预设的阀门可承受的局部应力阈值，根据判断结果判定该阀门阀盖的结构强度是否达到阀门局部结构强度设计标准。12.根据权利要求11所述的高温阀门结构性能评估系统，其特征在于，该系统还包括: 阀门受压变形检测模块，用于检测作用于该阀门承压部件的总体热应力及局部热应力导致该阀门产生的变形量，以便为该阀门结构优化设计及改良提供参考依据;其中，该阀门产生的变形量包括该阀门承压部件之间横向的相对变形量及该阀门阀杆的纵向变形量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于阀门仿真模型的高温阀门结构性能评估方法及系统。该方法包括：以阀体的流道中心为原点，建立阀门三维几何模型；应用有限元分析软件对该阀门三维几何模型进行网格化处理；基于经网格化处理的阀门三维几何模型模拟计算该阀门随温度变化的温度场以及该阀门承压部件受温度载荷的热应力场；计算该阀门承压部件受到温度载荷及机械载荷共同作用时的总热应力及局部热应力，根据热应力计算结果并参考规定的高温阀门结构强度设计标准对该阀门结构性能状况作出评估。本发明通过建模计算得到结构设计合理，结构强度可靠的高品质阀门所需的阀门设计参数，可提高核电厂运行的安全性，同时减少样机试制成本，缩短阀门产品研发周期。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105488292
【申请号】CN201510925725
【发明人】杨广宏, 茹善宏, 陈天敏, 沈锦花, 丛国辉, 马明美, 柯泽勇, 姚青, 吴敬普, 王龙骧
【申请人】中广核工程有限公司, 中国广核集团有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月14日
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