焊接底座（有限元）强度校核

有限元模型

本报告采用大型商业有限元软件Ansys Workbench 14.5 ^[1]， 对某BB2型泵底座进行强度校核。几何模型如图1-1所示，有限元计算模型如图1-2、1-3所示，有限元模型总共包含156902个单元、416109个节点。

01

材料属性

该焊接底座及底座连接件材质均为碳钢Q235A，其弹性模量E = 210 GPa，密度ρ=7850 kg/m³，泊松比μ= 0.3。地脚螺栓规格为M42×800，强度等级5.6【参见标准DIN529^[2]】。

02

载荷及约束

载荷：

1）  接管载荷

泵进出口接管载荷如表1所示，数据取自泵组基础外形图^[3]。

注：泵进出口接管载荷方向与有限元模型全局坐标系对应。

为了得到较为保守的计算结果，进口接管与出口接管的力与力矩的方向均保持同向。同时，将进出口接管竖直方向载荷均设置为向上以确保地脚螺栓承受拉伸载荷。

2）  自重

泵满水重5330 kg（其中水重670 kg），底座重2550 kg。重力加速度g = 9800 mm/s²。

满水泵体重心坐标X, Y, Z =（-38.9, -18.5, 168.0），参考坐标系见邮件^[4]。

3）  电机扭矩

电机额定功率P = 10000 kW，额定转速n = 5112 r/min。则，由如下公式可以计算出额定工况下的工作扭矩T

约束：

由于底座地脚螺栓主要承受轴向载荷（Z方向），故在有限元模型中，泵底座8个地脚螺栓处的约束为竖直方向（Z方向）平动自由度。

模型中的接触均设为绑定接触。

03

附图

图1-1  泵几何模型

图1-2  泵底座及底座连接件有限元模型

图1-3  底座工字钢有限元模型

计算结果

由于该泵为系统中的关键用泵，为了得到更为保守的校核结果，本报告采用RCC-M中S2级支撑件的校核标准对计算结果进行评定。根据标准RCC-M^[5]第1卷H篇表H3182.b可知，对于S2级支撑件应采用最大应力理论进行分析。图2-1 给出了泵底座及底座连接件最大应力准则下总体应力分布云图。图2-2、2-3给出了底座工字钢最大应力准则下的应力云图分布。

01

应力评定准则

地脚螺栓及销的应力评定准则参考RCC-M第1卷Z篇 ZVI 2460；底座工字钢支撑件的应力评定准则参考RCC-M第1卷H篇 H3320。

地脚螺栓：

对于地脚螺栓，由于其只承受纯拉伸应力，则其拉伸应力应满足如下要求：

地脚螺栓等级为5.6，其抗拉强度S_u = 500 MPa，则：

地脚螺栓M42横截面积为：

则地脚螺栓最大拉伸应力应满足如下要求：

支撑件：

支撑件所承受的薄膜应力σ_m应满足如下要求：

σ_m ≤ 1.0S

支撑件所承受的薄膜应力加弯曲应力应满足如下要求：

σ_m + σ_b ≤ 1.5S

其中S为支撑件材料Q235A在室温下的基本应力值。该值可由标准RCC-M第1卷Z篇ZIII 300确定。

铁素体钢的基本许用应力值为下列中的最小值：

a）  室温下的规定最小抗拉强度R_m的1/4；

b）  工作温度下的抗拉强度S_u的1/4；

c）  室温下规定的最小屈服强度R_c的2/3；

d）  工作温度下屈服强度S_y的2/3。

由于泵底座的工作温度即为室温，且材料Q235A室温下的屈服强度为235 MPa、最小抗拉强度为370 MPa^[6]。则由以上标准可得Q235A的基本许用应力值S = 92.5 MPa。

02

结果校核

地脚螺栓：

8只地脚螺栓承受的拉伸应力值见表2-1所示。

表2-2略。

支撑件：

由图2-3（a）、2-3（b）可知，工字钢下表面最大应力值在螺栓孔附近。所取线性化路径如图2-4中A1-A2、B1-B2所示。

泵轴处位移：

图2-5、2-6分别给出了泵在竖直方向（Z向）以及水平方向（X）方向的位移云图，（a）、（b）分别表示视图的正反面。分别取泵正反两面轴位置处两节点，节点编号分别为282、298306，提取该两节点Z向及X向的位移数值，如表2-4所示：

03

地脚螺栓装配拧紧力矩计算及校核

地脚螺栓的拧紧力矩MA的计算参考标准VDI 2230^[7]。其计算公式如下：

式中各物理量意义和数值如表2-5所示。

由上表可计算出地脚螺栓的装配拧紧力矩为M_A = 1450 N·m。根据RCC-M ZVI 2461.1可知，由于预应力载荷所产生的拉伸应力应满足如下要求：

F_tb ≤ 0.90 S_y

由于地脚螺栓强度等级为5.6，其屈服强度S_y = 500 × 0.6 MPa = 300 MPa。在装配拧紧力矩作用下，地脚螺栓横截面所承受的拉伸应力为

故地脚螺栓的强度满足要求。

04

附图

图2-1（a） 底座及底座连接件最大主应力云图

图2-1（b）底座及底座连接件最小主应力云图

图2-2（a）底座工字钢最大主应力云图分布

图2-2（b）底座工字钢最小主应力云图分布

图2-3（a）工字钢下表面最大主应力值分布云图

图2-3（b）工字钢下表面最小主应力值分布云图

图2-4（a）工字钢螺栓孔附近线性化路径

图2-4（b）工字钢螺栓孔附近线性化路径

图2-5（a）泵X方向位移分布

图2-5（b）泵X方向位移分布

图2-6（a）泵Z方向位移分布

图2-6（b）泵Z方向位移分布

参考文献

[1] ANSYS Workbench，14.5版，ANSYS Inc.

[2] DIN529: Masonry and foundation bolts,1972.12.

[3] 泵组基础外形图，SN1-MS45-V1K-EKSB0001，Rev5, 2016.05.13.

[4] Maenner,Hubert: E-Mail,2016.08.16.

[5] RCC-M：压水堆核岛机械设备设计和建造规则，2007版

第一卷，Z篇（技术性附录）

第一卷，H篇（支承件）

[6] 林慧国，林刚，世界钢铁牌号对照与速查手册，化学工业出版社，2010.03.

[7] VDI 2230：高强度螺栓连接的系统计算-单个圆柱螺栓连接，2003.02.

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