Code_Aster是法國電力集團（EDF）研發的一款開源有限元仿真軟件，適用于固體力學、熱學和聲學等物理現象，具體細分為靜力學、動力學、土-結構相互作用、流固耦合、傳熱學等方面的仿真分析，具備廣闊的應用場景。Code_Aster通過核工業認證，滿足法國核安全局和英國核監管部門要求，在各工業領域尤其是能源電力領域有大量的工程和研發應用案例。

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研究背景

在核電站中，核電閥門是保障核電站正常運行的重要構件，對核電閥門的檢驗則是核工業中的重要項目。閥門的密封性、可操縱性是檢驗的關鍵指標，具體的檢驗方法和依據包括實驗測試、使用者反饋、數值模擬、理論計算等。相關供應商負責提供包括有限元數值仿真結果在內的證明文件，而法國電力集團方面必須有能力對這些文件進行鑒定，即評估其數值仿真結果是否可信。因此，對于法國電力集團，應用公司自主開發的Code_Aster對像核電閥門這樣的關鍵部件進行數值模擬是一項必要的工作內容。

2015年，在與加拿大威蘭閥門公司（Velan）簽訂合作協議后，法國電力集團在其位于位于楓丹白露的Les Renardières實驗室中進行了多項試驗。本期文章涉及的試驗是對一種高度儀器化的輕維護閥門進行的測試，獲取了溫度、螺栓緊固力、法蘭開口測量值和試件殘余變形等數據；同年，五名工程師和一名實習生使用Code_Aster完成了對該閥門的數值模擬；2016年，在比對實驗結果和第一次數值模擬的結果后，對數值模擬進行了二次優化；2017-2019年，分別針對管道內流體流速、閥門尺寸對實驗結果的影響以及閥門的簡化建模方法進行了研究。

本研究的目的是將測試期間獲得的數據與經Code_Aster得到的多物理場數值模擬結果進行比較，評估數值模擬的可信度與局限性。

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實驗條件

本案例中所研究的閥門是一個帶有可移動閥籠和閥座的閥門原型機（見圖1）。閥體與閥帽間由12個規則間隔的螺栓固定以保證其密封性。圖2著重呈現了數值模擬中閥體和法蘭處的不同構件。水在閥門主體與閥籠之間以及閥籠與閥座襯層之間的間隙中循環并滲透，填充了閥帽與波紋管之間的空間。閥門的下部由絕熱層覆蓋，上部則與自由空氣相接觸。

圖 1. 實驗中的閥門試件與其在數值模擬中的不同構件

圖 2. 閥門細部剖面示意圖

實驗中對閥門施加的熱沖擊如下：在閥門處于高溫熱平衡狀態下（285℃）時注入冷水（60℃），靜置數小時至其達到低溫下的熱平衡狀態；再注入熱水（285℃），靜置數小時使其達到高溫下的熱平衡狀態，如此進行14次溫度的交替變化。閥門中設置有37個熱電偶，用于測量閥門各處的溫度。閥帽處法蘭的12個螺栓同樣設置有熱電偶和應變儀，用于獲取螺栓溫度與緊固力隨時間的變化。

對此實驗的模擬包括流體力學、熱力學和力學三部分。流體力學部分在code_saturne上完成，本文討論的熱力學和力學部分在Code_Aster上完成。我們利用試件的對稱性，在建模中僅模擬了結構的1/2；對于熱沖擊，忽略多次熱沖擊所造成的累積殘余變形，僅關注試件在一個285℃ – 60℃ – 285℃溫度交替變化作用下的熱力學響應。熱力學模擬所得到的溫度變化結果作為外力條件用于力學計算中，從而得到閥門中不同構件的應力與變形情況。

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熱力學分析部分

熱量的傳遞包括傳導、對流和輻射三種基本形式，本案例中僅涉及前兩者。在2015年進行的第一次數值模擬中，我們假定各部件緊密貼合，不考慮管道中流體流動性所造成的對流傳熱，熱量在閥門內部完全通過接觸傳導方式傳遞；在第二次數值模擬中，增加了“閥體與閥籠之間的間隙中熱量以對流方式傳遞”的邊界條件。

經模擬，對于閥門中的絕熱構件，模擬結果與試驗結果匹配度良好；對于螺栓，第二次的模擬結果改善了第一次模擬中溫度變化較試驗結果有所延遲的問題（圖3）。閥門上部的溫度較試驗結果高約30~40℃（圖4），這可能是模型相對簡單，未充分考慮其他形式的傳熱方式導致的。

圖 3. 實驗與數值模擬中閥門螺栓溫度隨時間變化曲線

圖 4. 實地實驗與數值模擬中閥門上部溫度隨時間變化曲線

（285℃ →60℃階段）

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力學分析部分

在模擬分析閥門的力學特性時，重新劃分了有限元單元。單元形式由熱力學分析中四面體單元改為四面體單元和線性六面體單元組合的形式（圖5）

圖 5. 熱力學分析（左）與力學分析（右）中閥門附近的有限元網格劃分

在施加熱沖擊前，處于室溫20℃下12個螺栓的緊固力均為250kN。力學分析部分的模擬共歷時約17小時，其中僅考慮彈性狀態歷時約7小時，考慮彈塑性狀態歷時約10小時，兩種工作狀態下螺栓的緊固力隨時間的變化如圖7所示。雖然一次熱沖擊周期下兩種工作狀態所得到的結果相似（圖6），但針對試件殘余變形的分析，考慮其彈塑性工作狀態是必要的。

圖 6. 彈性與彈塑性工作狀態下螺栓的緊固力隨時間變化曲線

（紅色：彈性；綠色：彈塑性）

圖7為285℃à60℃階段t=350s時模型中的溫度場，此時第二次模擬得到的螺栓緊固力最小。我們注意到，在第一次模擬中，熱沖擊由底部開始，同時穿過閥帽和螺栓，二者的溫度變化可以說是同步的；在第二次模擬中，熱沖擊則由內部開始并向外擴散，在到達螺栓前先穿過閥體與閥帽之間的空隙并直接影響閥帽的溫度。第二次模擬還原了實驗中閥帽與螺栓熱膨脹延遲的現象，即在注入冷水階段螺栓松動，在注入熱水階段螺栓過緊。

圖 7. 模擬1（左）和模擬2（右）在冷水注入階段閥門處的溫度場

由于未考慮實驗中緊固力的離散誤差 ，數值模擬中6個螺栓緊固力的平均值較實驗值高約30kN。同時我們注意到，在（圖8）2016年進行的第二次模擬中，螺栓的緊固力在285℃→60℃（圖8左）與逆向的60℃→285℃（圖8右）過程中存在與實測結果相似的降低和升高趨勢。

圖 8. 實地實驗與兩次數值模擬中螺栓緊固力隨時間變化曲線

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結論

1.  兩次模擬結果的差異表明，考慮閥門部件間隙和流體以對流方式傳熱時得到的熱學與力學響應結果與實驗結果，特別是螺栓的緊固力，擬合度更好；

2.  相較第一次模擬，第二次模擬中閥門下部區域的溫度與實驗結果擬合度較好，而上部區域的溫度擬合度較差。

Code_Aster非線性分析專題培訓

培訓時間

2021年5月12日～14日

報名截止時間：2021年5月11日

本次培訓名額為30人，名額有限，報名從速。

培訓地點

遠算培訓教室（杭州市西湖區千島湖智谷大廈）

擬定培訓內容

• Code_Aster軟件進行固體力學仿真計算的基礎操作和功能介紹
• Code_Aster軟件針對非線性塑性硬化問題的基本解決方案和實踐指導
• Code_Aster軟件針對幾何非線性問題的基本解決方案和實踐指導
• Code_Aster軟件針對接觸非線性問題的基本解決方案和實踐指導
• Code_Aster軟件在工業領域的應用案例

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