李姗姗 吕哲
中国核电工程有限公司郑州分公司 河南 郑州 450000
摘要：本文基于ANSYS14.5软件，通过建立有限元模型，对用于某设备的竖直安装的金属浮子流量计进行了弹塑性屈曲失稳分析计算，施加初始载荷缺陷，同时考虑几何非线性，分析极限值屈曲，并根据RCCM相关规范对计算结果进行评定。对以后类似弹塑性屈曲失稳分析计算有一定的参考意义。
关键词：流量计、有限元、屈曲、失稳、ANSYS
前言
金属管浮子流量计采用可变面积式测量原理，在核电站中经常用于测量高温高压液体和气体的流量。对于竖直安装的金属管浮子流量计，上下端分别与管道连接，地震载荷下受轴向压力或轴向压力与弯矩的联合作用，极易产生屈曲破坏。为保证金属管浮子流量计结构不被屈曲破坏，本文采用ANSYS有限元软件对结构进行弹塑性屈曲失稳分析计算，验证其结构是否满足RCCM的相关规范规定。
1概述
金属管浮子流量计是全金属结构，主要由壳体、浮子组件和指示器等组成，壳体包含上下法兰、直管、锥管、导向管、螺柱等。金属管浮子流量计的检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。装配图见图1。
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图1金属管浮子流量计装配图
金属管浮子流量计整机重量为12.4kg，设计压力为26MPa，工作压力为0.22Mpa，设计温度为100℃。流量计主体材料为316L，材料弹性模量E=1.96×105MPa，切线模量G=800MPa，泊松比为0.3，密度为7.85×103kg/m3，屈服强度为520MPa。轴向压力为Q=6300N，弯矩M=730N·m，不考虑内压阻止失稳的作用。
2分析方法
在承受轴向压力或轴向压力与弯矩联合作用下流量计的屈曲计算相当于梁的屈曲计算。稳定性分析提供各工况下相应的临界失稳载荷并通过临界失稳载荷与实际载荷的比确定设备是否满足失稳评定要求。本文根据RCCM规范，采用极限分析法对金属管浮子流量计进行屈曲分析评定。
3计算模型
在极限分析时同时考虑材料非线性和几何非线性。为适应材料非线性和几何非线性，用弧长法做增量计算。金属管浮子流量计总长度为300mm，法兰有效厚度为29mm，直管外径为Ф51mm，直管部分最薄壁厚为7.5mm。
有限元模型采用SHELL181壳单元建立，整个计算模型保守的简化为一个直管段，长300mm，外径Ф51mm，壁厚7.5mm，不包括指示器和连接螺栓，降低了整个流量计的刚度，分析结果是保守的。在有限元模型的下端加载位移约束，另一端加载外载荷。有限元计算模型如图2所示。
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图2金属管浮子流量计屈曲失稳计算模型
4.计算分析与评定
特征值屈曲分析的结果可以为非线性屈曲分析提供参考，明确结构的屈曲载荷的量级和屈曲模态，为非线性屈曲分析载荷的确定和扰动的施加提供依据。首先通过进行特征值屈曲分析，得到初载荷轴向压力Q0=41895N，弯矩M0=4854.5 N·m。
取直管的最低阶屈曲模态作为初始几何缺陷的分布形式，同时将几何非线性纳入考虑之中。通过求解计算，可以从模型顶端选取典型点，提取对应该点的三条“位移——载荷曲线”。可以确定临界失稳在位移极大值TIME=0.657时发生。TIME是轴向压力和弯矩按固定比例增长的载荷系数，临界失稳时的TIME值乘以初始总载荷即得临界失稳载荷。
Q1=0.657×41895=27525.02N
M1=0.657×4854.5=3189.41N·m
实际载荷与临界失稳载荷的比
Q1/Q=M1/M=4.37≥1.5。
直管临界失稳时的变形与应力强度云图见图3。由此可得，金属管浮子流量计在所承受载荷下，不可能发生屈曲失稳。
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图3直管临界失稳时的变形与应力云图
5.结论
通过上述屈曲计算分析评定结果得出，由于初始缺陷的存在，金属管浮子流量计直管段实际结构承载力虽达不到特征值理想分析的结果，但在所承受的载荷下，未发生屈曲失稳，满足RCCM规范的相关强度要求。
参考文献
【1】压水堆核电机械设备设计和建造规范RCC-M 2002版
【2】ANSYS Workbench使用手册
【3】机械设计手册
【4】APDL参数化有限元分析技术及其应用实例