【CAE案例】閥門冷熱沖擊的仿真模擬
01 案例背景
EDF研發部門開展了一項來自MMC部門關于包含水蒸汽測試設施的改進工作。主要內容是通過仿真模擬來鑒定閥門等相關部件性能。在此之前，相關部件的性能鑒定都是由循環實驗測得。鑒定工作分為兩個階段，閥門需要經受1000次開關操作與10次冷熱交替沖擊（在1秒左右，溫度變化為285℃/60℃）。在這些操作后，將檢查閥門的內部密封性、外部密封性與可操作性。在仿真模擬中，我們只考慮冷熱沖擊對閥門密封性的影響，更具體而言，我們將考慮閥座內襯的應力狀態。
根據計算結果可以預估閥座內襯開裂的風險，從而對閥門的內部密封性進行判斷。實際上，熱沖擊造成閥座的徑向開裂是閥門密封性喪失的主要原因。在本案例中，也將仿真結果與實驗結果進行了對比和討論。
02 仿真過程
首先使用通用CFD仿真和Syrthès進行3D耦合計算，得到了閥門內的溫度場。模擬的閥門冷熱沖擊溫度變化如下圖所示，然后將所得到的溫度場投影到力學計算網格上。
之后會在通用結構仿真軟件中進行3D熱彈性計算，最后再對殘余應力進行計算。殘余應力的計算需要分為三部分：首先是非線性熱計算；之后進行冶金計算，以考慮溫度變化對材料熱學性能的影響；最后進行熱應力計算。由于閥座內襯是鎢鉻鈷合金。這是一種鈷基材料，其在快速冷卻過程中的冶金轉變尚不清楚。因此，無法進行冶金計算。此外，由于閥門內部的焊接過程是手工進行的，因此熱量的輸入實際上會較實際值偏小。
03 結果展示
閥門在受到熱沖擊0.1秒時的溫度場如圖3所示，可以發現閥門下游的加熱或冷卻比閥門其他部分更快。與裝有41個熱電偶的閥門受熱沖擊的實驗結果相比，總體結果除了最初的較短時間以外，偏差在可接受范圍內（圖4）。
圖3 閥門在0.1秒時刻的溫度分布
圖4 閥門熱沖擊后計算溫度與實驗溫度的差值
在進行熱彈性計算時，閥門在沖擊開始后約0.2秒(圖5)，閥座內襯達到正交應力(導致開裂的應力)的峰值。內襯在熱沖擊時被壓縮(- 650 MPa)，在冷沖擊時被拉伸(+ 950 MPa)?？梢杂^察到，閥座上游的極端應力水平較低。這是由于工件的幾何形狀和溫度分布：事實上，在這個區域，閥門部件與熱或冷流體的接觸發生得較晚，且流速和熱交換也更低。由于內襯是通過焊接連接的，在焊接部分仍存在殘余應力，現實的應力評估還需要考慮殘余應力。
殘余應力計算結果表明，閥座內的正交殘余應力在流體流動方向為+ 350 MPa，在垂直方向為+ 500 MPa(圖6)。目前，尚缺乏這些殘余應力的實驗測量。事實上，由于材料和涂層厚度等數據的缺失，測量也是非常困難的。
04 結論
考慮到殘余應力，熱沖擊時，閥座內襯最大應力水平為- 300 MPa，冷沖擊時的最大應力水平為+ 1450 MPa。而鎢鉻鈷合金是一種非常脆的材料，在室溫下的屈服強度為700 MPa。因此，計算表明內襯存在發生開裂的可能。而經過10次改冷熱沖擊實驗的閥門沒有顯示閥座損壞。因此，可以得出結論，計算是保守的。其保守性源于所進行的熱應力計算是一種彈性計算，它高估了閥體和閥座的應力水平。
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