核电阀门是核电站中重要的安全设备之一，其在设计、制造和检验等各个环节上均有远高于普通阀门的要求。根据相关核安全法规的要求, 核电站的核级与非核级能动设备必须通过分析、试验、经验或以上综合手段证明设备在地震载荷及设计组合载荷作用下应保持结构完整性和可运行性。随着基础理论及现代计算技术的发展，有限元分析（FEA）方法因其突出的优点而广泛应用在现代核电站设备抗震分析中。
有限元建模是有限元分析计算中的重要环节，前处理质量的好坏将直接影响到计算结果的精度和计算的规模。目前核电阀门抗震分析大多采用壳单元进行有限元建模型，计算不能得到关键部件的准确应力值和峰值应力值，即使使用实体单元建模，也是利用 CAE 软件自身的前处理器进行建模，也会由于网格划分质量差而导致计算误差较大而影响结果的评定。
HyperMesh 是一款优秀的前后处理软件，对于复杂模型能划分高质量的网格。本文以某核电阀门为例，应用 3D 建模软件建立阀门的装配几何模型，利用 Altair 公司的HyperMesh
软件对其进行几何清理并创建阀门的抗震计算有限元模型，采用其它求解器计算核电阀门在承受地震载荷及设计组合载荷共同作用下的应力及变形, 然后根据 ASME 规范对承压边界部件作出应力评定、强度校核以及能动部件的变形评价。
2 设备描述
该核二级电动截止阀安全级别为二级，抗震类别为1A。设计压力为6.4MPa, 设计温度为200℃，阀体、阀盖、阀瓣由材料SA-182M F316制成，200℃下最大许用应力值为134MPa；支架由SA-351M CF8M制成，最大许用应力值为138 MPa；阀杆由SA-705M 630制成，最大许用应力值为285MPa。阀体通过螺栓与阀盖连接，电动装置的重量约为45Kg, 其重心位置坐标为（50,100,659）。该阀门的三维装配图如图1所示（注：电动装置视为一刚体质量块，以质量单元加在支架上）。
图 1 三维模型图
3 载荷组合与应力限值
抗震分析一般只对第二类和第四类工况进行，第二类工况考虑OBE地震，第四类工况考虑SSE地震。这里为了计算方便和结果保守起见，在进行建模计算和限值评定时，使用最严重的载荷组合（即事故工况D级载荷）和最严格的应力限值(即A级的应力限值)，见表2。
因此，如果这种情况下的应力限值得到满足，则其它工况的计算结果也必小于相应的应力限值，即设计和A、B、C 级工况均可满足。
表2 载荷组合及所应用的应力限值
注：表中的应力限值取自ASME规范第III 篇表NC-3521-1，表中标识符意义如下：σm:总体薄膜应力强度 σb:一次弯曲应力强度 σL:局部薄膜应力 S:最大许用应力值
4 抗震计算有限元建模
4.1 几何清理与网格划分
建过三维软件建立阀门的三维装配图，然后导入Altair公司产品软件HyperMesh中进行有限元前处理。在建模时,在不影响分析结果的前提下对阀门结构部件做一定的简化，删除一些对结构分析只产生局部较小影响的细节，如倒角、圆角、局部小孔等。同时考虑到电动装置的整体刚性很强, 它对阀门的主要作用是施加惯性载荷, 因此在计算中将电动装置简化为在其质心处的一个集中质量点, 通过RBE3单元连接到支架的上端面上，如图2所示。
为了获得承压边界的薄膜应力及弯曲应力精确解以及局部应力分布，在有限元建军模时采用实体单元，同时在薄弱区域沿壁厚方向的单元数应足够多（一般要大于3），同时要求节点在一直线上，为此，阀体阀盖的截面网格如图3所示。在划分阀门各部件网格时大部分采用六面体单元形式。当网格划分完成后必须再次对CAE模型进行清理检查，删除一些在建模过程中绘制的辅助节点、二维辅助面等几何模型。然后通过网格节点协调连续、MPC约束、建立接触对的方法建立阀门整体模型各部件之间的联接关系。模型采用SOLID95实体单元和TARGE170、CONTA174接触单元及PRETS179预紧单元、MASS21质量单元,一共划分189382个单元，326852个结点。阀门整体模型有限元模型如图4所示。
图2 电动装置的简化
图3 阀体阀盖的截面网格
图4 阀门整体模型网格
4.2 边界条件
HyperMesh提供了多种施加边界条件的菜单，可以很方便地施加约束、载荷等边界条件，并且能够直观地看出施加的载荷大小及方向。阀门有限元模型中，在阀门进出口法兰的端面进行全约束，电动装置简化质量单元与支架上平面节点耦合成刚性区域。考虑最恶劣的工况承受最不利的载荷组合，计算事故工况（1.5×设计内压+螺栓预紧力+设备自重+SSE载荷），阀门的设计压力为6.4Mpa，为计算保守，事故工况下作用压力取值为1.5倍设计压力，在阀门受压内表面作用均布压力为6.4*1.5=9.6MPa，阀门的设计温度主要用来确定此温度下材料的许用应力，而不考虑由于温度作用产生的热应力（为二次应力，这里相对由压力引起的应力来说，数值很小，基本可忽略不计），螺栓预紧力值根据设计计算书获得，SSE地震载荷按照水平方向5g、垂直方向4g加速度设置，自重影响只在垂直方向设置为1g加速度，计算有限元模型如图5所示。
图 5 阀门计算有限元模型
5 承压边界计算结果及评定
阀门承压边界的分析对象包括阀体、阀盖、阀杆、阀瓣。本分析计算它们在事故工况下的应力，然后进行应力强度校核与评定。阀体、阀盖作为压力容器体，是基于应力分布确定典型的危险截面，根据应力分类原则，利用ASME规范进行应力强度评定。而对于阀杆、阀瓣、支架，由于它们均采用塑性材料，为了保守起见，本分析采用第三强度理论进行评定。
5.1 阀体、阀盖应力评定
图6为阀门整机在内压、自重、螺栓预紧力和SSE地震载荷组合作用下的应力强度计算结果云图。选取的阀体、阀盖薄弱部位的应力评定截面（穿过壁厚的应力评定线）如图7所示，应力线性化计算评定截面的薄膜应力σm和薄膜加弯曲应力σm +σb，最大薄膜应力发生在A-A截面，值为36.54MPa，而最大薄膜加弯曲应力产生在C-C截面，值为73.15MPa，本分析中用应力限值保守地取A级的限值，即σm≤1.0S,σm +σb≤1.5S，S为阀体、阀盖的许用应力，值为134MPa，显然满足应力限值要求。
图 6 阀门总体应力强度云图
图 7 应力评定截面示意图
5.2 支架、阀瓣和阀杆强度校核及阀杆变形校核
在内压、自重、螺栓预紧力和SSE地震载荷组合作用下，支架、阀瓣和阀杆的最大应力强度值分别为93 MPa、79 MPa和146 MPa，分别小于其材料许可应力值138MPa、134MPa和285MPa。
根据要求，可动部件与静止部件的相对变形不超过实际间隙的90%，该阀门的阀杆与阀盖间的间隙要求控制在0.4mm内。根据计算，阀杆在事故工况下的最大变形量为0.31mm，在设计要求的范围内，能保证能动部件在地震时和地震后的可运行性。
5.3 中法兰与螺栓应力校核
在内压、自重、螺栓预紧力和SSE地震载荷组合作用下，中法兰与螺栓应力校核见表3, 支架与压板联接螺栓的应力校核见表4。
表 3 中法兰与螺栓应力校核
表 4 支架与压板联接螺栓应力校核
6 结论
本文应用Altair公司的HyperMesh软件建立阀门抗震分析有限元复杂模型,计算阀门设备的各重要部件的应力和变形，验证了该阀门在SSE地震事故工况条件下能保持结构完整性及可运行性。
(2) HyperMesh软件可以快速有效地进行复杂结构网格划分、模型数据组织管理以及力学边界和载荷等结构计算求解设定，此外，针对有限元软件推出的接触向导模块的使用，有助于接触关系的快速准确定义。这些强大的前处理功能使得对于阀门复杂装配体有限元建模来说，非常方便而有效，是阀门结构分析中必不可少的利器。
