1 核级球阀性能评估仿真建模与分析
仿真流程定制的有效性依赖于产品性能仿真计算的精度与稳定性，因此，首先研究球阀性能评估仿真建模关键技术以保证产品性能计算有效性。
对于核级球阀而言，其性能评估的关键内容为结构的抗震分
析[13] 。从本质上讲，阀门抗震分析为典型的动力学问题，当结构的自振频率高于地震频率时，就可以忽略结构振动导致的共振对结构强度的影响，从而可将抗震分析转化为准静态的静力学分析[14] 。1.1 仿真技术有效性分析
对某核级阀门进行频率仿真和应力仿真，结合实验结果，验证阀门频率仿真技术和应力仿真技术的有效性。
1.1.1 频率仿真技术有效性分析
对某型号核级阀门分别进行模态仿真分析和动态特性实验，阀门有限元网格模型及实验现场如图1所示。
图1 核级阀门有限元模型及频率分析实验现场
Fig. 1 Finite element model and frequency analysis test site of nuclear grade valve
核级阀门频率仿真结果和实验结果如表1所示。通过分析可知，一阶自振频率频率的仿真值和实验值的相对误差小于1%，二阶自振的相对误差小于20%，说明一阶自振频率仿真精度较高。一阶自振频率是判断核级阀门是否符合抗震标准的关
键[15] ，确保核级阀门的一阶自振频率大于33 Hz，避免因共振而产生结构破坏。因此，认为基于Femap的频率仿真技术是有效的。1.1.2 应力仿真技术有效性分析
为了验证某核级阀门应力仿真技术有效性，对阀门端部进进行应力仿真及加载实验，并对实验结果与仿真结果进行对比分析。阀门端部应力云图与加载实验现场如图2所示。
核级阀门端部2个应变点的应力仿真结果和实验结果如表2所示。由表2可知应力仿真值和实验值的相对误差为7% 左右，表明基于Femap的应力仿真技术是有效的。
1.2 阀门连接方式对结构自振频率的影响规律研究
直立式阀门的频率计算可以采用等效模
型[16] 进行建模。球阀是一个类悬臂梁结构，其振动特性不仅取决于结构各段的质量分布及其与固定端之间的相对位置，还与球阀各段间的连接方式有重要关系。球阀的一个重要连接方式为螺栓连接。在有限元建模过程中，一般采用基于RBE（rigid bar element，刚性杆单元）的螺栓模拟连接或者直接以面粘连方式进行简化处理。当采用RBE建模时，不考虑被连接面的连接关系，这实际上稍微弱化了结构连接的刚度。而采用面粘连方式建模时，实际上强化了结构的连接刚度。当基于保守原则对产品性能进行评估时，应优先选用基于RBE的方式进行建模。以某型号核级阀门（如图3所示）为例，研究不同建模方法对结构自振频率的影响。2种建模方式下某核级阀门自振频率仿真结果与实验结果如表3所示。由表3可知，采取RBE建模方式的阀门自振频率仿真结果更加保守，也更贴近实际。
1.3 基于轴对称模型的球阀密封比压仿真研究
密封比压是指球芯在介质压力的作用下，球芯与阀座之间的接触压力，它是球阀设计的关键内容之一。
当采用三维模型建模时，网格规模相对较大，计算周期较长。此外，接触压力计算精度依赖于工程师的网格处理能力。因此采用轴对称方式建模可提高计算效率与精度。
核级球阀的阀座一般为轴对称结构，但在关闭状态时，球芯的对称轴与阀芯的对称轴并不重合，因此，球阀并不是一个完全的轴对称模型。但球芯的刚度远大于阀座的刚度，且与阀座接触区域的结构是轴对称的，因此忽略远处结构的影响，采用轴对称建模方式进行球阀密封比压的仿真研究。
建模时，取四分之一球芯，阀芯与阀座之间建立接触连接，载荷为介质压力与作用面积的乘积，在阀座底部施加固定约束，建立有限元模型如图4所示，在介质压力为1.6 MPa时，其接触应力如图5所示。
图4 核级球阀密封比压轴对称有限元模型
Fig. 4 Axi-symmetric finite element model of sealing specific pressure of nuclear grade ball valve
为了验证仿真结果的有效性，基于理论近似公式计算阀座的密封比压：
式中：
p——设计压力，MPa；
q——设计比压，MPa。
已知阀座密封面外径为113 mm，阀座密封面内径为110 mm，设计压力为1.6 MPa，根据上述公式计算得到设计比压q=29.7 MPa。
由图5仿真结果可知阀座与阀芯的平均应力约为27 MPa，仿真值和理论计算值接近，表明采用基于轴对称模型的球阀密封比压仿真分析是有效的。
2 核级球阀性能评估仿真流程定制
为进一步降低仿真工具的应用门槛，提高仿真效率和准确性，针对核级球阀性能评估过程，基于Femap软件二次开发技术，定制开发球阀性能辅助评估分析软件。区别于传统的面向仿真工程师的流程定
制[17,18] ，该软件开发并不完全再现有限元软件建模的流程，而是考虑设计工程师对产品性能评估的需求，降低了使用门槛。核级球阀性能评估仿真流程定制开发思路如图6所示。2.1 核级球阀自振频率辅助分析模块开发
核级球阀自振频率辅助分析模块的主要功能是对基于等效模型的阀门结构模态分析过程进行流程化定制，提升自振频率分析的效率和正确性。
核级球阀模态分析的主要步骤包括3个部分：前处理、求解、后处理。设计核级球阀自振频率辅助分析模块时，在原先有限元建模的基础上，考虑设计工程师建模的逻辑，即着重考虑结构定义、工况定义和分析结果读取。二次开发时，将属性的定义隐含到软件内部而不作显式出现。核级球阀自振频率辅助分析模块界面如图7所示。
2.2 核级球阀密封比压辅助分析模块开发
球芯和阀座间的密封比压影响着球阀密封性能。利用设计比压与许用比压、必须比压之间的关
系[19] ，分析球阀密封比压是否符合设计要求。核级球阀密封比压辅助分析模块主要是基于轴对称模型进行有限元建模，载荷施加于球芯上，将阀座进行固定约束，建立接触连接关系，选择分析集进行求解，该模块界面如图8所示。
3 核级球阀性能辅助评估软件的应用
运用核级球阀性能辅助评估软件对DN100核级球阀进行性能评估，验证该阀门是否符合设计要求，并基于密封比压辅助分析模块对阀座结构进行优化。
3.1 核级球阀频率特性分析
运用核级球阀自振频率辅助分析模块对DN100核级球阀进行频率计算。软件运行结果界面及球阀有限元模型如图9所示。
图9 DN100核级球阀频率计算界面及其有限元模型
Fig. 9 Interface of frequency calculation and finite element model of DN100 nuclear grade ball valve
通过计算可得DN100核级球阀的一阶自振频率为83.12 Hz，大于33 Hz，符合抗震设计要求。
3.2 基于密封比压分析的阀座结构优化
图5所示核级球阀的平均接触应力为27 MPa，远大于必须比压
4 结论
本文以核级球阀为研究对象，基于CAE技术研究了核级球阀性能评估仿真建模关键技术，并基于Femap二次开发技术定制开发了核级球阀性能辅助评估软件，并应用该辅助软件对DN100核级球阀进行性能评估，得到以下结论：
1）基于等效模型，针对螺栓连接的模拟建模方式对核级阀门结构自振频率的影响规律进行了分析，得出采用基于RBE的建模方式时结果更贴近实际。
2）基于轴对称模型对球阀的密封比压进行仿真研究，并与理论计算结果对比，验证了该球阀密封比压仿真分析方法的有效性。
3）定制开发的核级球阀性能辅助评估软件有效降低了分析软件的使用门槛，提高了性能评估的效率。
4）结合辅助软件对DN100核级球阀进行应用研究，对球阀结构进行频率评估；并利用密封比压计算模块，对阀座结构进行优化仿真，提高了球阀密封性能。
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摘要
针对核级球阀性能评估技术应用较为困难的问题，基于Femap & NX Nastran有限元仿真及其二次开发技术进行核级球阀性能评估仿真研究，并定制仿真流程以提高其产品性能评估效率。首先，研究了阀门连接方式对结构自振频率的影响规律、轴对称球阀密封比压计算模型，以分析仿真技术有效性并提高仿真计算精度。然后，结合二次开发技术，基于设计工程师对产品性能评估的需求，定制了核级球阀性能评估仿真流程，开发了核级球阀性能辅助评估软件。最后，结合核级球阀性能辅助评估软件，对DN100核级球阀进行应用研究，以验证提出的核级球阀性能快速评估技术的有效性。结果表明该方法可以显著提高核级球阀性能评估效率，能有效实现评估过程快速化、智能化，可为其余产品的性能评估仿真流程的定制提供借鉴。
Abstract
In view of the application of performance evaluation technologies of nuclear grade ball valves is rather difficult, the performance evaluation simulation of nuclear ball valve is studied and the simulation process is customized by using Femap & NX Nastran finite element simulation and the secondary development technology in order to improve the efficiency of product performance evaluation. Firstly, the influence of the connection mode of valve components on the natural vibration frequency of the structure and the calculation model of the axisymmetric sealing specific pressure of ball valves were studied to analyse the validity of evaluation technologies and improve the accuracy of simulation calculation. Then, combined with the secondary development technology, a performance evaluation simulation procedure of nuclear grade ball valves was proposed and the corresponding performance evaluation-aided software for nuclear grade ball valves was developed on the basis of the requirements of the design engineer to evaluate the product performance. Finally, the effectiveness of the performance evaluation technology was verified by using the evaluation-aided software applied to DN100 nuclear ball valve. The results showed that the method could significantly improve the performance evaluation efficiency of nuclear grade ball valve. It also can effectively achieve the rapid and intelligent evaluation process, and provide a reference for the customization of the performance evaluation simulation process of other products.
核级球阀是核电阀门中结构较为简单的一种，其使用量位于核级阀门前
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为提高仿真效率，学者们在CAE分析流程自动化定制方面作了大量研究。苏占龙
上述CAE技术在球阀中的应用研究，通常面向CAE工程师，但是，对于设计工程师而言，他们关注的是产品性能，而非CAE建模技术。此外，核级球阀性能评估内容较多，建模工作繁琐，计算精度和计算效率难以有效保证，这对设计工程师提出了挑战。因此，本文基于Femap & NX Nastran有限元技术及其二次开发技术，展开核级球阀性能评估仿真建模研究；并从产品性能设计的需求出发，定制开发核级球阀性能辅助评估软件，以提高产品性能评估的效率。
