【水暖阀门网讯】核电阀门是核电安全系统的重要组成部分，核电阀门工作环境的特殊性，对核级阀门的安全性和可靠性提出了远高于普通工业设备的要求。尤其是2011年发生的日本福岛核泄漏事件，促进了“非能动”设计理念下的核电安全系统（AP1000）的发展，同时使人们对核电安全系统可靠性提出了更高的要求。    

    对于设计工程师而言，频率计算是核级阀门设计中基本内容和瓶颈部分。一个典型的直立式控制阀，从上而下依次为气动执行机构、支架、阀盖和阀体。其中，阀体和气动执行机构的设计具有明确的设计依据和经验公式，而中间起到支撑和连接作用的支架是执行机构设计中的一个关键部件，其对阀门频率具有重要的影响。理论公式无法直接评估阀门结构的频率，而详细仿真评估的计算与时间成本较高，因此，快速有效的阀门评估技术成为了结构设计工程师的迫切需求。

    频率的快速计算主要有两种方式实现，一种是基于详细模型，定制自动化的分析流程。第二种为基于简化的力学模型，实现结构频率的快速计算。第一种方式计算精度较高，但是计算时间长，占用资源多，并且模板的定制成本高昂，并且不能满足设计前期的快速评估需求。第二种方式模型规模小，计算精度相对较低，但是可以满足设计前期的评估要求。

    因此，针对主给水控制阀设计中的频率设计问题，提出了一种直立式控制阀的简化力学模型，并通过与实验数据的对比验证了模型的有效性，进而基于Femap软件API，开发了直立式控制阀频率计算模板，为阀门频率计算与产品关键参数的优化提供了一个有效支撑手段。

   1 直立式阀门力学模型及有效性分析

    根据直立式阀门结构的特点，可以将支架及支架以上的执行机构（液压执行机构）看成底部固定的悬臂梁式结构，如图1所示。

    首先，阀体和阀盖的自振频率较高，对阀门整体频率的影响很小，因此，仅对阀盖以上结构建立模型。然后，为了可以将执行机构的质量和高度当成单一因素来分析其对模型频率的影响，把支架以上的执行机构简化为质量点，质量点的高度为支架以上执行机构质心的高度。最后，支架的结构形式对阀门的频率具有重要的影响，因此，忽略支架上诸如倒角等细节，建立为通用的两支撑板式结构模型，如图2所示。

    为了验证简化模型的有效性，对设计模型和简化力学模型进行模态分析，以获取模型的第一阶模态，如图1和2所示。仿真结果显示，两者均为弯曲振型，设计模型的第一阶频率为42.66Hz，而简化力学模型获得的计算频率为41.92Hz，计算相对误差为1.7%，因此可以认为简化力学模型具有较高的精度。

图1支架及执行机构模型：一阶模态42.66HZ（弯曲）

图2 力学模型：一阶模态41.92HZ（弯曲）

     2 直立式阀门频率计算模板定制开发

     模板开发工具为Femap API，开发语言为VisualBasic，模板输入界面为EXCEL。

     计算流程主要为：导入几何体，定义材料，分网，定义质量点，定义约束，计算与频率提取。

图3 导入数据模型

图4 分网与质量点定义

图5 分析与频率提取

    3 结论

   针对主给水控制阀设计初期中的频率设计问题，提出了一种直立式控制阀的简化力学模型，并通过与实验数据的对比验证了模型的有效性，进而基于Femap软件API，开发了直立式控制阀频率计算模板，为阀门频率计算与产品关键参数的优化提供了一个有效支撑手段。