爆破阀拉力螺栓动力学分析

　　介绍了爆破阀在AP系列核电站自动卸压系统、低压安注系统及安全壳再循环系统中的应用特性和技术要求。采用内弹道理论和动力学软件ANSYS/LS-DYNA，对爆破阀的拉力螺栓进行仿真分析，模拟了爆破阀内活塞在爆炸高压下拉断拉力螺栓的过程，得出了拉力螺栓拉断断面直径以及活塞的速度- 时间曲线与爆炸产生的压力- 时间曲线之间的关系。

　　1、概述

　　爆破阀是AP 系列核电站的关键和特殊设备，主要用于核电站第四级自动卸压系统、低压安注系统以及安全壳再循环系统中。其主要工作原理是在严重事故工况下，通过开启阀门信号触发爆破单元，产生的高压气体推动阀门中的活塞运动，切断阀门通径的盲管。爆破阀能够有效缓解和预防严重事故，减少了核电机组安全设备数量，改善核电机组的安全性和经济性。在爆破阀未打开前，拉力螺栓一端连接阀盖，另一端连接活塞。当接到触发阀门开启的信号时，点火器引燃爆破单元，由爆破单元产生的高压推动活塞，将拉力螺栓拉断，并保证活塞有足够的能量快速下降冲击剪断剪切盖，从而开启阀门，同时要保证阀门在爆炸高压下压力边界的完整性。本文对爆破阀的火药燃烧-拉力螺栓拉断-活塞冲击剪切盖的过程进行分析，主要采用理论公式求解和数值求解的方法，给出了压力-时间曲线和活塞的速度-时间曲线，为剪切盖冲击分析提供了初始条件。

　　2、理论解析解

　　2.1、爆炸物理过程方程

　　爆破阀的物理过程具有单一装药内弹道学的基本特征。因此可以用单一装药内弹道学方程组进行求解。理论计算采用经典内弹道学理论，将整个过程分为三个阶段。①火药开始燃烧，螺栓未拉断，活塞速度为0，此阶段的特点是定容燃烧。② 螺栓已经拉断，活塞加速运动，加速度不断增大。③ 火药已经烧完，活塞加速运动，加速度在最大压力点之后变小，其具体计算方程为式(1) ～(5) 。

　　3、数值仿真模拟

　　采用ANSYS/LS-DYNA 计算模拟爆破阀内活塞在爆炸高压下拉断拉力螺栓的动态过程，得到拉力螺栓截面直径以及活塞速度- 时间曲线与爆炸产生的压力- 时间曲线之间的关系。其中，加载于活塞上的压力- 时间曲线由理论计算得到，拉力螺栓本构关系采用给定的应变率相关的应力-应变曲线。材料模型采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，此模型可以考虑材料应变率相关的特性。拉力螺栓拉断过程见图7。

图7 拉力螺栓拉断过程

　　当塑性应变达到某个设定值时，单元自动删除，模拟材料的拉断效应。螺栓和活塞之间的连接采用CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 连接方式。这种接触方式将螺栓从节点约束、限制在活塞主面上。这种接触仅仅约束了丛节点的平动自由度，且不考虑接触的失效，不允许丛节点的偏置。计算得出的活塞位移- 时间曲线和速度- 时间曲线见图8 和图9。

图8 活塞位移- 时间曲线

图9 活塞速度- 时间曲线

　　4、结语

　　爆破阀拉力螺栓拉断的过程可以利用内弹道学公式进行求解。利用Runge-Kutta 解法，得到爆破阀压力和活塞速度等参数。在数值计算中，利用ANSYS/LS-DYNA建立了有限元模型，并给出计算结果。拉力螺栓的计算结果，为后续剪切盖的计算，以及爆破阀的完整性分析提供了输入。