基于 Workbench软件的泵壳疲劳寿命分析

基于 Workbench软件的泵壳疲劳寿命分析

肖梦凡 张富美 张立德 杨彬 王伟

中广核研究院有限公司，广东 深圳 518031

摘 要：疲劳破坏作为一种常见的失效形式，直接威胁核电厂各类机械设备的寿命。通过有限元软件ANSYS Workbench中的Fatigue Tool模块对核电厂裂纹修补后的泵壳进行非比例载荷疲劳寿命分析。结果表明，修补后的泵壳疲劳安全系数大于许用安全系数，损伤计算结果小于1，能够满足机组运行要求。

关键词：核电厂；Workbench；有限元分析；疲劳寿命

1 概述

某核电厂CFI泵壳出水管段下缘出现泄漏，对漏水区域打磨光顺后，着色探伤，发现一条20mm的裂缝，并贯穿至壳体内壁，METALCOCK厂家根据射线图，找出了裂缝具体位置，并采用金属扣方案以修补裂缝。本文基于ANSYS Workbench软件对修补后的泵壳进行非比例载荷^[1]疲劳寿命分析，介绍了Workbench进行疲劳分析的方法。

2 ANSYS疲劳分析原理

ANSYS疲劳分析采用了经典的Miner线性累积损伤理论^[2]。若构件在应力 的作用下，经历 次循环的损伤为 ，若在k个应力 的作用下，各经历 次循环，则定义总损伤（ANSYS中称作疲劳寿命使用系数）为：

(1)

这就是Miner线性累积损伤理论。其中 是在应力 作用下的循环次数， 是在应力 作用下循环至破坏的寿命，由S-N曲线确定。

3 有限元模型的建立

通过CATIA软件建立泵壳整体模型，选择8节点的3D实体单元SOLID186对泵壳进行网格划分，不规则部分进行六面体网格划分^[3]，网格尺寸大小设置为默认，网格图如下图1所示。泵壳材料为CuA110Ni5Fe5Y20，其弹性模量为11.4MPa，抗拉强度650MPa，屈服强度250MPa。

作 者简介：肖梦凡（1993），男，河南濮阳人，助理工程师。主要从事核电站结构力学研究工作。

裂纹尺寸约为20mm，并贯穿至壳体内壁。探伤检测后发现壳体还有一条交叉裂缝，如上图三所示。金属扣与泵壳主体的接触定义为绑定接触，划分网格后的模型如图五所示，泵体所受的交变载荷为内部水压，根据泵的系统运行手册，泵内流量范围为152~212m³/h，对应的内部压力为0.36~0.41MPa，液体冲击力作用在泵壳上，只会产生膨胀力，并不会产生收缩力，因此施加的循环载荷为脉动循环载荷^[4]。

图1 划分网格后的示意图

4 疲劳分析及结果

4.1 疲劳分析工具

Workbench进行疲劳计算前，先要进行静力分析，约束泵壳底面进行求解计算。计算完毕后选择insert/最大等效应力来寻找泵壳峰值应力出现位置。选择insert/fatigue tool选项设置疲劳强度削弱系数为0.8；在分析类型中有Goodman、Gerber、Soderberg三种，其中Goodman理论在疲劳设计中应用最广泛，因此选择Goodman理论对疲劳寿命进行评估。在Fatigue Tool中选择insert/life、Damage、Safety Factor选项，设置泵壳的疲劳寿命、疲劳累积损伤系数和安全系数，设定设计寿命为1.0e6次循环。

4.2 分析结果

经过静力分析及疲劳分析后，可以得出泵壳在载荷工况作用下的可循环次数为1.0e8次、在1.0e6次循环下的损伤为0.01、修补后的泵壳安全系数为2.76。

图2 泵壳寿命计算结果

5 结论

利用ANSYS-Workbench对修补后的泵壳进行疲劳仿真分析，得到以下结论：

1、在分析泵壳受力的基础上，根据疲劳强度理论，建立了修补后的泵壳的疲劳分析有限元模型。

2、疲劳分析计算结果说明，修补后的泵壳不会破坏(Damage计算结果远小于1)，且在0.36~0.41MPa的工作应力下，可循环次数为1.0e8次。

3、疲劳分析结果可以论证METALCOCK厂家的修补方案可行。

现场目前没有对修补后泵壳疲劳问题分析的方法，本文提供有限元分析方法帮助现场核实修补后泵壳的疲劳问题。

参考文献：

白雅蕊. 金属材料在多轴非比例随机载荷下的疲劳寿命分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

惠纪庄，孙德仕，邹亚科.Miner线性累计损伤理论在汽车试验场可靠性试验强化系数研究中的应用[J].工程设计学报，2018（4）：264-267.

刘笑天. ANSYS Workbench结构工程高级应用[M].北京：中国水利水电出版社，2015.

张天. 基于ANSYS Workbench的电动车车架疲劳分析[J].山东建筑大学学报，2013（6）：570-574.