ANSYS在反應(yīng)堆壓力容器出口接管力學(xué)分析應(yīng)用

2013-07-20 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

1 前言

反應(yīng)堆壓力容器是反應(yīng)堆的關(guān)鍵性部件,在核電站的運(yùn)行過(guò)程中,反應(yīng)堆壓力容器主要裝載反應(yīng)堆堆芯和高溫高壓的冷卻劑,要求在各種工況下均能保證結(jié)構(gòu)的完整性。壓力容器接管部位由于承受機(jī)械載荷、壓力波動(dòng)和熱載荷等,易產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生破壞。為保證壓力容器出口接管的完整性,本文應(yīng)用大型有限元程序 ANSYS對(duì)壓力容器出口接管進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度和疲勞分析,評(píng)定結(jié)果表明出口接管滿足規(guī)范的要求。

2 有限元模型

反應(yīng)堆壓力容器出口接管有限元模型主要包括筒體、接管、安全端和焊縫等部分。在ANSYS中建立出口接管的三維模型時(shí),筒體部分采用半模型,出口接管部分采用全模型。有限元模型如圖1、2所示。熱分析與結(jié)構(gòu)分析采用相同的有限元網(wǎng)格,只是分別使用SOLID90熱單元和SOLID95結(jié)構(gòu)單元。出口接管設(shè)計(jì)溫度為343℃,表1給出350℃材料性能參數(shù)。表2、3給出材料疲勞曲線。

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圖1 有限元模型圖圖2 出口接管細(xì)節(jié)圖

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表1 350℃材料性能參數(shù)

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表2 16MND5的疲勞曲線

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表3 Z2CND18-12的疲勞曲線

注:焊縫材料也保守地取該疲勞曲線

3 邊界條件與載荷

壓力容器出口接管需要承受自重、內(nèi)壓、熱膨脹、地震和管道載荷等,實(shí)際載荷均由六個(gè)分量組成,計(jì)算時(shí)利用APDL語(yǔ)言尋找到最不利的情況進(jìn)行組合。為減少邊緣效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,筒體和接管必須取足夠長(zhǎng)的延長(zhǎng)段,通過(guò)延長(zhǎng)段將力和力矩傳到筒體和接管端部。在壓力容器結(jié)構(gòu)對(duì)稱面上,施加對(duì)稱邊界條件。

計(jì)算時(shí),在所有結(jié)構(gòu)內(nèi)表面施加壓力,同時(shí)考慮筒體和接管的靜水端頭力。內(nèi)壓及其在筒體與接管端部產(chǎn)生的靜水端頭力以均布?jí)毫Φ男问绞┘拥较鄳?yīng)位置;其他機(jī)械載荷直接施加到接管端部。沿筒體軸線方向的力,以均布?jí)毫Φ男问阶饔迷谥С信_(tái)上,其他兩個(gè)方向的則平均分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。沿接管軸線方向的力,以均布?jí)毫Φ男问阶饔迷趦?nèi)凸臺(tái)上,徑向摩擦力則平均分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。機(jī)械載荷邊界條件如圖 3、4所示。出口接管坐標(biāo)系如圖5所示。

熱分析中考慮模型外表面為絕熱,內(nèi)表面與冷卻劑接觸,在不同位置施加相應(yīng)的換熱系數(shù),熱邊界條件如圖6所示。熱應(yīng)力分析時(shí)將各瞬態(tài)時(shí)間點(diǎn)的溫度分布結(jié)果,分別加在應(yīng)力分析中相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上,同時(shí)在相應(yīng)位置施加其余外載。

圖3 機(jī)械載荷邊界條件(俯視圖) 圖4 機(jī)械載荷邊界條件(側(cè)視圖)

圖5 出口接管坐標(biāo)系圖6 熱邊界條件

4 結(jié)果與評(píng)定

4.1 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析是基于設(shè)計(jì)壓力、機(jī)械載荷、熱膨脹和地震載荷等的結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,本文利用應(yīng)力線性化技術(shù),將應(yīng)力分為彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。應(yīng)力分析的評(píng)定截面如圖7、8所示。應(yīng)力分析結(jié)果與評(píng)定如表4所示。

4.2 疲勞分析

在核電站的運(yùn)行過(guò)程中,在各種瞬態(tài)作用下,出口接管受到交變載荷的作用。因此不可避免產(chǎn)生疲勞破壞,造成嚴(yán)重事故。對(duì)其進(jìn)行疲勞分析可以有效的預(yù)防事故的發(fā)生。疲勞分析的評(píng)定截面見圖7、8。疲勞分析結(jié)果與評(píng)定如表4所示。

圖7 評(píng)定截面(俯視圖) 圖8 評(píng)定截面(側(cè)視圖)

表4 分析結(jié)果與評(píng)定

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注:對(duì)于截面22至30,由于結(jié)構(gòu)不連續(xù),可以將彎曲應(yīng)力歸為二次應(yīng)力。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用 ANSYS程序完成了反應(yīng)堆壓力容器出口接管應(yīng)力分析和疲勞分析,并按照相關(guān)規(guī)范的限值對(duì)出口接管的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了評(píng)定。評(píng)定結(jié)果表明出口接管應(yīng)力滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

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