有限元分析在沉箱式辐照装置中的应用

高艳艳+李成业+常钟泽

摘要：采用有限元分析法，借助有限元软件，对1E级6.6kV笼式三相异步电动机辐照老化方案中沉箱式辐照装置进行了有限元应力应变仿真模拟，分析计算了静载荷条件下两个装置的整体应力应变分布和整体的危险部位。并对辐照装置的设计改进进行了反复计算，提出了修改方案。并对沉箱式辐照装置的流体分布进行了模拟，增加气流分配器，对辐照装置内部空气流道进行了优化。

关键词：有限元；辐照装置；压力容器，COSMOSWorks

0 引言

沉箱式辐照装置属于1E级6.6KV笼式三相异步电动机辐照老化方案中最重要的一个设备，是承载需要辐照电机的压力容器。由于所要辐照的电机定子与保存水池的空间限制，不能设计成承压能力较好的圆筒形，只能为立方体形。该装置属于压力容器，要对其进行严格的校核分析，并且最大化的节省材料和加工。

通过在设计中采用COSMOSWorks，可以更快、更简单地设计出更好的产品。另外，SolidWorks可计算流体是如何穿过零件或装配体模型的，可以找到设计中的问题区域，对零件进行改进。让用户在设计阶段就能了解、验证并改善新产品的设计。

1 辐照装置箱体的有限元分析

1.1 设计校核所用准则

在压力容器设计时，主要考虑了两种失效理论：一是过量的弹性变形；另一个是由于过量的弹性变形而塑性失稳，设计时通常假定弹性失效。

压力容器在稳态或瞬态工况下的力学响应，最可能发生的失效形式确定力学响应的限制值以判断压力容器能否安全使用是否获得满意的使用效果。

根据压力容器的塑性失效准则，平板在承受弯矩时的最大应力为1.5时，整个截面才予屈服，因此由塑性失效准则得到平板构件按照弹性公式计算得到的最大应力不允许超过1.5。在选用材料为0Cr18Ni9时，因为其在工作温度下35～45℃的屈服强度为190MPa，所以辐照装置最大应力为280MPa。

首先用化工过程设备强度计算软件SW6-98进行矩形界面壳体计算。从计算结果来看，如果该辐照装置单纯地使用钢板焊接而成，在不考虑焊接与制造缺陷的情况下需要使用15.3mm厚的0Cr18aNi9钢板。因此初步选用了20mm厚0Cr18aNi9加工制造该沉箱式辐照装置。

1.2 三维模型的建立

辐照装置模型的建立完全按照图纸1：1建立，选用建模软件为内嵌COSMOSWorks的SolidWorks软件。

1.3 边界条件和载荷的加载

该辐照装置底部位于水下5.8m左右的位置，选择辐照装置底部为约束面，在辐照装置四周以及上板部加载一个梯形分布的压强。选择辐照装置顶端为坐标原点，竖直向下为坐标轴y轴，压强随着y轴的增大（即水深的加剧）而增大，压强公式为p=39200Pa+9800Pa×y。

1.4 网格的划分

在所有的分析计算中均用COSMOSWorks以相同的设置进行有限元前处理。选择的网格器为标准，取消自动过渡、单元环数选择为3、单元大小因子选为0.8、公差因子为0.8、雅可比检查菜单设定为4点。网格的大小均选为40mm。

1.5 结果的分析与方案的改进

利用COSMOSWorks的后处理功能，可以得到一个HTML或者DOC格式的报告，根据这个报告，我们可以看到整个装置最大应力、挠度的大小和具体坐标，这个结果是在校核过程中最主要的用到的数据。

初始设计现命名为方案一，用20mm厚0Cr18Ni9钢板焊接成一六面体，计算结果中可以看出方案一满足使用要求，在方案一中最大挠度发生在辐照装置四周板的中心部位附近，最大应力发生在四个90°折角边线中心附近。

虽然方案一满足我们的使用设计要求，但是由于全部由20mm厚0Cr18Ni9钢板焊接而成，导致光0Cr18Ni9钢板的材料费用就高达14万元，因此我们需要寻求一个满足设计使用要求，又能节省费用的最佳设计方案。

为了最大化节省开支，决定选用3mm厚0Cr18Ni9钢板，这是预留出腐蚀余量后可以选用的最薄的钢板。为了使其能达到设计使用要求，对其危险部位即四个侧面分别加入6根间隔为200mm的横向筋板，定义为方案二，然后对方案二的三维模型进行了相同设置的有限元分析，分析结果中可以看出方案二并不满足我们的设计使用要求。在方案二的基础之上又加入了6根横向筋板，定义此方案为方案三。重新进行有限元计算，结果显示方案三已经基本满足我们的设计使用要求，但是其最大应力为196MPa，与限制270MPa虽然还有一定的差距，但是在使用温度为40℃情況下，0Cr18Ni9不锈钢的屈服强度只有190MPa，在方案三中，虽然整个辐照装置箱体整体未失效，但是局部已经到达了屈服极限，存在一定的安全隐患，所以在方案三的基础上又进一步的进行了加强，在辐照装置内外表面应力应变最大的部位加平板加强，定义为方案四。方案四的有限元分析结果可以看出，方案四很好的满足了我们的设计使用要求。将四种方案的有限元分析结果与成本汇总，通过对比可以看出，方案四的最大挠度与方案一相差不多，最大应力也满足设计使用要求，但是成本却便宜了一半，因此选择方案四为最终加工方案。

2 辐照装置内部气流分析

2.1 模型的建立

因为1E级6.6kV笼式三相异步电动机辐照老化方案中厂家对辐照装置的气流和温度控制提出了很高的要求，所以必须要对沉箱式辐照装置中的气流分配进行设计检验。

依次设置流质为空气，入口位置为下部风管，出口位置为上部风管，进行分析计算。气流主要集中在沉箱式辐照装置的中央，气体分配不均匀，最终变成中央到中央的直线对流，这是由于只有中央一个出口所导致的气体流道集中，这样一来就无法较好的实现换气功能，中央和四周的温度分布也会出现不均匀。

3 方案的改进

在初步方案的基础之上，在辐照装置底部加入一个气流分配器，对空气流向进行分配。

将改进后的辐照装置模型利用流体分析软件COSMOSFloXpress，可以得到，加入气体分配器后，空气在经由管路进入辐照装置后，在气体分配器之下进行了合理的分布，然后比较均匀的进入之后的空腔，这证明了加入空气分配器的合理性与正确性，也使得沉箱式辐照装置能够更好的实现用户的要求。

4 结论

通过三维建模并进行有限元分析，对沉箱式辐照装置的结构进行了优化，选取了最大应力和挠度较小，并且成本小、符合设计制造要求的结构。沉箱式辐照装置首次下水，成功通过了打压试验，并且在剂量场测量试验中多次放入保存水池中，其变形量均符合要求，没有出现漏水等不良现象。这么多次的试验证明了沉箱式辐照装置是符合设计输入要求的。

通过对沉箱式辐照装置内部气流走向与速度进行分析，在原设计基础上进行了改良，使得辐照装置内部气流分配均匀，能够很好的满足用户要求。

参考文献：

[1]丁伯民.压力容器规范分析与应用[M]化学工业出版社2009-03。

[2]叶修梓，陈超祥.COSMOS基础教程：COSMOSWorks Designer[M] 机械工业出版社2011-04-01。endprint