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地震载荷下压力容器角焊缝仿真模拟研究
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【经济学硕士论文题目】摘 要：对于设备应力评定问题，文章提出了三种压力容器支座垫板与筒体环向连接角焊缝的有限元模拟方法，分别是垫板不加厚模型、垫板加厚模型和精确模型。从整体刚度和焊缝处局部应力两个方面进行了三种方法的对比分析，结果发现，垫板补强不影响整体刚度，垫板不加厚模
摘 要：对于设备应力评定问题，文章提出了三种压力容器支座垫板与筒体环向连接角焊缝的有限元模拟方法，分别是垫板不加厚模型、垫板加厚模型和精确模型。从整体刚度和焊缝处局部应力两个方面进行了三种方法的对比分析，结果发现，垫板补强不影响整体刚度，垫板不加厚模型对焊缝处应力模拟过于保守，垫板加厚模型既能降低建模成本，又能准确模拟压力容器力学性能。因而，推荐采用垫板加厚模型?M行压力容器支座垫板与筒体环向连接角焊缝模拟。
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关键词：压力容器；角焊缝；仿真建模；应力评定
焊接是一种重要的压力容器结构连接方式，焊缝处结构强度是压力容器安全评定的重要方面，采用有限元仿真方法对压力容器进行安全评定时，无法回避的问题就是如何对焊缝进行合理建模。焊缝力学性能领域已经有了一定的研究进展，朱政强等进行了不同振动加速度下焊缝金属动态力学性能试验研究；陈誉研究了圆钢管节点力学性能的壳体和实体焊缝有限元模型研究；陈峰等利用有限元方法对核电厂IHP钢平台焊缝处进行了受力分析。
文章提出了三种不同的焊缝仿真方法，并对其力学计算结果进行了对比分析，目的是为工程设备焊缝仿真提供技术参考。
1 压力容器角焊缝模型
本研究源自核电站核安全级设备抗震计算工程技术需要。工程实例为某压力容器支座垫板与筒体之间的环向单边角焊缝。在设备抗震仿真计算中，一个合理的有限元模型必须同时满足两点要求：（1）准确性，模型必须能准确模拟设备的力学结构特性；（2）经济性，模型建立成本必须保持在一定的合理范围之内，以满足工程的经济成本要求。总而言之，合理的仿真模型需要在较低的计算成本下计算得到较准确的计算结果。
基于这一考虑，本研究立足于：如何在保证计算结果准确性的前提下对前述周围单边角焊缝进行简易建模。本研究提出并比较了三种角焊缝建模方法：（1）垫板不加厚模型，此方法不考虑垫板对设备的补强作用，因为工程有限元建模时应忽略次要因素的影响，此方法用于验证垫板补强是否显著影响设备力学特性；（2）垫板加厚模型，此方法假定垫板对设备力学特性的影响主要为垫板处局部刚度的增大；（3）精确模型，此方法采用MPC184 rigid beam单元模拟垫板与筒体之间的周边角焊缝，较为繁琐，建模成本增大。下文将对三种焊缝建模方法的计算结果进行比较，以验证不同方法的优劣。
2 三种角焊缝模拟方法对比分析
2.1 整体刚度
结构刚度是结构力学性能的关键指标，为了研究不同焊缝模拟方法对容器刚度的影响，本节进行三种模型整体刚度的对比分析。容器整体刚度的性能表征可以通过容器固有频率这一参数来实现，根据结构动力学知识，固有频率是质量参数和刚度参数的函数，因为三种模型的质量相同，所以模型刚度变化就会引起固有频率的相应改变，刚度变化越大，相应的固有频率值的差异越明显。对三种模型进行模态分析（采用BLOCK LANCZOS法），三种模型计算得到的同阶振型模态相同，但是同阶振型对应的固有频率值有所差异，前两阶振动频率值如表所示。从表1中可以看出，垫板不加厚模型的固有频率值均小于精确模型，而垫板加厚模型的固有频率值均大于精确模型；与精确模型相比，两种近似模型的固有频率误差均不超过10%。因此可以认为不同的焊缝简化处理方法对结构整体刚度影响不大，均满足工程应用要求。
常用的地震响应工程计算方法有等效静力法（地震载荷采用地震谱零周期加速度）、准静力法（地震载荷采用地震谱峰值加速度的1.5倍）和谱分析法。在核安全设备抗震评定中，地震谱截断频率通常在33Hz左右，所分析压力容器仅有第一阶固有频率稍低于截断频率，因此，虽然所分析压力容器不属于刚性结构，不能采用等效静力法进行地震响应计算，但是可以采用准静力法。
2.2 焊缝处局部应力
结构应力分布是进行压力容器强度评定工作最直接的数据支持。焊缝处几何和材料均发生不连续，因此焊缝附近区域应力分布属于典型的局部应力，焊缝处局部应力过大会严重危害压力容器的服役可靠性，因此，不同方法求解得到的焊缝处局部应力准确程度是一个令人关心的问题。本节采用准静力法进行压力容器的地震响应求解，三种模型计算得到的焊缝处第一主应力分布（核安全设备应力评定中通常采用最大主应力理论）如图1所示。从图中可以看出，垫板不加厚模型的焊缝处局部应力最大值是其它两种模型的几十倍，说明采用垫板不加厚模型得到的焊缝处应力过高，结果过于保守，当需要校核焊缝抗震安全性时不宜采用垫板不加厚模型进行计算。同时，采用垫
板加厚后焊缝处应力急剧减小这一事实验证了压力容器设计中采用垫板加厚处理的合理性；垫板加厚模型焊缝处最大应力比精确模型降低了约29%，再考虑到垫板加厚模型的建模工作量远小于精确模型，综合来讲，垫板加厚模型焊缝处应力计算精度较高且建模成本下降明显，因此，可以采用垫板加厚模型进行焊缝处应力抗震计算。
3 结语
文章利用有限元方法进行了三种压力容器支座与筒体连接角焊缝的对比分析，并形成了以下结论：
（1）垫板补强对压力容器整体刚度影响较小，可能是由于结构刚度较大；
（2）垫板不加厚模型计算得到的焊缝处受力过高，当需要校核焊缝抗震安全性时过于保守，可能会引起材料的浪费；
（3）垫板加厚模型能够准确模拟压力容器力学性能，计算成本又较精确模型显著地降低，文章认为此方法适用于所针对的压力容器支座与筒体连接角焊缝应力评定，但是此方法对更广泛的设备焊缝模拟的适用性仍值得进一步研究。
参考文献
[1] 朱政强，张华，陈立功，倪纯珍.振动对焊缝金属动态力学性能的影响[J].中国机械工程，2007，18（07）：859-861.
[2] 陈誉.焊缝模型对圆钢管节点极限承载力影响有限元分析[J].郑州轻工业学院学报（（自然科学版），2008，23（05）：57-61.
[3] 徐峰，郝国锋.核电厂IHP平台钢结构焊缝的抗震性能分析[J].山西建筑，2013，39（30）：25-28.
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