汽轮机主汽阀是机组最主要的部件之一，它是控制汽源开关的总闸门，直接承受锅炉出来高温高压蒸汽的影响，在某些情况下如紧急停机、事故工况需要主汽阀快速关闭，还有，电网调峰时出现异常的波动有时造成机组与电网之间解列，为了防止机组“飞车”，主汽阀应具备快关能力。单从安全角度看，阀门快关可最大限度保证转子和叶片等部件的安全，但阀门关闭速度过快，阀碟与阀座之间会发生剧烈的冲击碰撞，严重时可导致阀碟等冲击构件破碎或开裂，甚至发生漏汽事故。为了分析阀碟冲击行为，首先必须知道撞击力大小，但阀碟撞击时间很短，速度改变非常快，加速度也不容易求得，因此工程上常用近似能量法，即假设撞击时没有任何能量损耗，运动部件的总动能等于系统部件的总应变能，但此法无法解释冲击碰撞过程中各种能量耗散现象，更无法描述冲击损伤行为，因此常规工程法的评估误差很大。对主汽阀的动强度分析牵涉到时间因素，在0.1s 左右时间内阀碟完成关闭行为，阀碟几乎以2m/s 的速度撞击阀座，在这种冲击速度下产生的动态应力受应变、应变率、多轴度因子、温升等因素影响。

冲击的应力-应变关系实际上是一个塑性应变、应变率、温度、多轴应力和冲击时间的非线性函数。在主汽阀冲击碰撞中，阀碟的密封面快速撞击阀座的配合面，以致于在阀碟、阀座的碰撞面内产生较大的变形，这种冲击属于高应变率响应行为，大量由塑性功转变的热量无法及时传导散出而积聚在冲击面内，因此冲击是一个绝热温升的过程。冲击诱发的当地热量导致了材料软化现象，而快速变形可能导致材料产生应变硬化。随着冲击进程的加剧，软化区域的变形越来越大以致于超过周边区域的变形，随之出现冲击损伤，同时在冲击面挤压剪切带内的塑性应变会导致材料的强度和刚度下降，以致金属流线破坏，如图1。延性金属材料的冲击损伤和断裂过程致使大量的微观组织发生变化，如绕晶界或夹杂的孔洞成核、长大和联合，这种微孔洞和微裂纹的长大将直接导致材料或构件的承载能力的下降，当冲击损伤达到微裂纹联合成宏观大裂纹阶段就会发生断裂。研究者发现冲击损伤演化受应变率、温度、加载时间、应力状态的影响，微孔洞的长大对静水压力非常敏感，多轴应力将是影响构件冲击损伤的一个关键因素。

采用Johnson-Cook 损伤修正的冲击本构模型计算了阀碟的冲击损伤，由于阀碟冲击是一种在复杂应力下引起的损伤行为，在有限元计算过程中考虑了多轴度因子对冲击损伤的影响。利用ABAQUS 软件的显式模块对粘塑性体碰撞和接触问题进行联合求解，这种求解方法适合于计算阀碟塑性应变、高应变率和高绝热温升的冲击行为。本章建立了阀碟与阀座冲击的有限元模型，并给出了阀碟与阀座的冲击分析流程图，通过研究阀碟倾斜角、撞击面积率（又称“均匀度”）、冲击速度、阀碟高径比这四个参数对阀碟冲击行为的影响，获得了阀碟冲击最佳设计参数。对比分析了不同设计参数下阀碟最大接触应力随时间的变化规律，获得了冲击损伤在接触面上的分布情况。

图 1冲击碰撞行为示意图

2.1 主汽阀快关结构及工作过程

2.1.1 主汽阀快关结构

主汽阀快关结构包括阀碟、阀座、预启阀、阀杆等组成，如图2 所示。阀杆的上端连接一个弹簧和油动机。快速关闭主汽阀的过程中，阀碟会与阀座发生碰撞，撞击时间很短，速度改变极快。主汽阀撞击的总能量等于运动部件的动能，最终由阀碟与阀座吸收。在许用应力范围内，大的挠性部件（如带倾角的阀碟）能够吸收更多的应变能，宏观表现为较大的变形量，剩余能量则由变形比较小的部件吸收，如阀座等部件。为了更好地吸收冲击能量和减少阀碟冲击损伤，新阀碟上设计了挠性槽结构，如图2。

2.1.2 主汽阀快关工作过程

阀门开启过程是通过高压油动机实现的。在主汽阀开启过程中，高压油动机将阀杆提升，同时带动弹簧向上压缩直至阀门全开，这时阀杆上端弹簧的势能达到最大，弹性力和油压力达到平衡；当汽轮机出现事故或需要快速停机状况时，控制指令命令液压阀打开，高压油通过卸油口减压，此时在弹簧力的作用下，阀杆快速下降，顷刻带动装有预启阀的阀碟迅速下降直至关闭状态，整个关闭过程持续不到0.15s，如图3 所示。当阀碟与阀座接触上时，阀杆迅速减速下降，利用阀杆与阀碟之间的微量间隙缓和阀碟冲击阀座所产生的巨大能量，防止密封面可能产生的破坏。当阀碟行程终止，行程中产生的动能将转变为阀碟和阀座之间撞击能量，严重时可引起阀门的损坏。阀碟最大允许冲击速度取决于冲击构件的质量、冲击损伤、塑性变形，对于高速冲击，还需考虑应变硬化和温度软化效应影响。正常装配下，油动机、弹簧、阀杆与阀碟处于同一直线上，虽然油动机、弹簧、阀杆都是快关执行件，但是直接产生冲击行为的构件是阀碟。

图2 主汽阀快关结构装配图

图3 主汽阀的冲击加载曲线

3.2 冲击本构模型

冲击损伤在外形上表现为被冲击物表面出现压痕、凹痕、缺口或撕裂等现象。从力学的角度看，这是由于冲击载荷作用下被冲击物的塑性变形造成的，冲击载荷下的塑性变形涉及到动力学、塑性力学、接触力学和损伤力学。本节简要介绍冲击模型的理论基础，这些基础决定了数值计算结果的适用范围。动强度的计算分析是在连续损伤力学理论模型上进行的，这一模型首先由Lemaitre 等人首先提出，其通用表达式有如下：

(1)

式(1)中，是损伤演化率，p是累积塑性应变, 是塑性应变率。

3.3 接触分析理论基础

在冲击碰撞过程中，瞬态接触撞击是显式非线性动力分析中的重点和难点。冲击过程中的接触边界随撞击的进行而不断改变，属于不定边界问题，因此需判断每一时间步内的接触状态。对称罚函数法具有结构对称性、动量守恒性、几乎没有沙漏效应特点，罚函数大小受收敛稳定性影响，通过放大罚函数大小和缩小时间步长可调节收敛稳定性。简单看，罚函数有如下形式：

（2）

式(2)中K_CT 是接触面刚度，由材料属性、冲击载荷、单元特性等决定；△ξ是穿透量。对于冲击碰撞的接触必须满足三个条件：①接触物体之间的协调变形，一般假设接触面是光滑连续曲面；②摩擦条件服从库仑定律；③面面之间须设接触热阻，它是材料、间隙、温度的函数。对于已发生冲击的两个物体，界面上可能会有分离、粘连和滑动三种状态，这三种状态下的界面位移和力学条件各不相同、实际情况中参杂着三种状态的相互转化，从而导致应力高度非线性振荡现象。

3.4 有限元模型

在阀碟冲击有限元仿真计算前，首先需要对模型进行简化，正如第一章绪言中描述的，阀内的蒸汽激扰力与阀碟的冲击力相比是一个相当小量级的作用力，对此蒸汽激扰力可忽略不计。从图3 的冲击加载曲线中看出，主汽阀阀碟与预启阀的冲击时间不一致，首先撞到阀座上的构件是主阀碟，由于冲击质量和冲击速度都较小，预启阀的二次冲击行为引起的冲击损伤几乎可忽略不计，因此本章只是选取了阀碟冲击作为研究对象，并没有把预启阀等附件也加进来。从直观上看，阀碟冲击必然首先在冲击的接触面产生损伤或破坏行为，宏观上表现为冲击表面的压痕、凹痕、缺口或撕裂等现象，为了在这个区域获得足够精度的冲击强度数据，研究者对阀碟和阀座的冲击接触面进行网格加密处理，沿接触面的网格数量大致为30。在阀碟的边界条件上有两种选择方案：①位移边界；②速度边界，这里选择冲击速度作为边界条件，原因是阀碟接触阀座后的冲击位移是一个未知量，而阀碟刚碰上阀座时刻的冲击速度是已知的，另外碰上以后的冲击行为正是研究者所关心的。阀碟碰上阀座以后的冲击行为牵涉到塑性力学、接触力学、损伤力学、多体动力学，所以阀碟冲击有限元模型中包含了摩擦系数设置、塑性功转化率设置、临界损伤值设置、刚性阻尼设置等等。有限元计算工作主要有：模型的简化、CAD 的建立、材料本构关系的建立、单元的选择、网格划分、约束及载荷的施加、求解及分析等。合适的材料本构模型对冲击损伤的预测至关重要，如弹性广义胡克定律就不能正确描述阀碟冲击行为。计算单元的选取方面也很讲究，对阀碟设置的单元类型为八节点热力耦合实体单元(C3D8T)，划分网格后，阀碟、阀座共有63478 节点，42235 个单元。考虑到几何形状和物理模型的对称性，取四分之一个阀座、阀碟模型进行冲击仿真计算，另外，对阀座底部进行全约束，如图4 所示。这里的冲击问题可认为阀碟以一定的初始速度碰撞阀座而引起冲击损伤的动力学响应问题，具体分析流程如图5。