爆破閥拉力螺栓動力學(xué)分析

　　介紹了爆破閥在AP系列核電站自動卸壓系統(tǒng)、低壓安注系統(tǒng)及安全殼再循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用特性和技術(shù)要求。采用內(nèi)彈道理論和動力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA，對爆破閥的拉力螺栓進行仿真分析，模擬了爆破閥內(nèi)活塞在爆炸高壓下拉斷拉力螺栓的過程，得出了拉力螺栓拉斷斷面直徑以及活塞的速度- 時間曲線與爆炸產(chǎn)生的壓力- 時間曲線之間的關(guān)系。

　　1、概述

　　爆破閥是AP 系列核電站的關(guān)鍵和特殊設(shè)備，主要用于核電站第四級自動卸壓系統(tǒng)、低壓安注系統(tǒng)以及安全殼再循環(huán)系統(tǒng)中。其主要工作原理是在嚴重事故工況下，通過開啟閥門信號觸發(fā)爆破單元，產(chǎn)生的高壓氣體推動閥門中的活塞運動，切斷閥門通徑的盲管。爆破閥能夠有效緩解和預(yù)防嚴重事故，減少了核電機組安全設(shè)備數(shù)量，改善核電機組的安全性和經(jīng)濟性。在爆破閥未打開前，拉力螺栓一端連接閥蓋，另一端連接活塞。當(dāng)接到觸發(fā)閥門開啟的信號時，點火器引燃爆破單元，由爆破單元產(chǎn)生的高壓推動活塞，將拉力螺栓拉斷，并保證活塞有足夠的能量快速下降沖擊剪斷剪切蓋，從而開啟閥門，同時要保證閥門在爆炸高壓下壓力邊界的完整性。本文對爆破閥的火藥燃燒-拉力螺栓拉斷-活塞沖擊剪切蓋的過程進行分析，主要采用理論公式求解和數(shù)值求解的方法，給出了壓力-時間曲線和活塞的速度-時間曲線，為剪切蓋沖擊分析提供了初始條件。

　　2、理論解析解

　　2.1、爆炸物理過程方程

　　爆破閥的物理過程具有單一裝藥內(nèi)彈道學(xué)的基本特征。因此可以用單一裝藥內(nèi)彈道學(xué)方程組進行求解。理論計算采用經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)理論，將整個過程分為三個階段。①火藥開始燃燒，螺栓未拉斷，活塞速度為0，此階段的特點是定容燃燒。② 螺栓已經(jīng)拉斷，活塞加速運動，加速度不斷增大。③ 火藥已經(jīng)燒完，活塞加速運動，加速度在最大壓力點之后變小，其具體計算方程為式(1) ～(5) 。

　　3、數(shù)值仿真模擬

　　采用ANSYS/LS-DYNA 計算模擬爆破閥內(nèi)活塞在爆炸高壓下拉斷拉力螺栓的動態(tài)過程，得到拉力螺栓截面直徑以及活塞速度- 時間曲線與爆炸產(chǎn)生的壓力- 時間曲線之間的關(guān)系。其中，加載于活塞上的壓力- 時間曲線由理論計算得到，拉力螺栓本構(gòu)關(guān)系采用給定的應(yīng)變率相關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。材料模型采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，此模型可以考慮材料應(yīng)變率相關(guān)的特性。拉力螺栓拉斷過程見圖7。

圖7 拉力螺栓拉斷過程

　　當(dāng)塑性應(yīng)變達到某個設(shè)定值時，單元自動刪除，模擬材料的拉斷效應(yīng)。螺栓和活塞之間的連接采用CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 連接方式。這種接觸方式將螺栓從節(jié)點約束、限制在活塞主面上。這種接觸僅僅約束了叢節(jié)點的平動自由度，且不考慮接觸的失效，不允許叢節(jié)點的偏置。計算得出的活塞位移- 時間曲線和速度- 時間曲線見圖8 和圖9。

圖8 活塞位移- 時間曲線

圖9 活塞速度- 時間曲線

　　4、結(jié)語

　　爆破閥拉力螺栓拉斷的過程可以利用內(nèi)彈道學(xué)公式進行求解。利用Runge-Kutta 解法，得到爆破閥壓力和活塞速度等參數(shù)。在數(shù)值計算中，利用ANSYS/LS-DYNA建立了有限元模型，并給出計算結(jié)果。拉力螺栓的計算結(jié)果，為后續(xù)剪切蓋的計算，以及爆破閥的完整性分析提供了輸入。