ANSYS在反應堆壓力容器出口接管力學分析應用

2013-07-20 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓中心來源:仿真在線

1 前言

反應堆壓力容器是反應堆的關鍵性部件,在核電站的運行過程中,反應堆壓力容器主要裝載反應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構的完整性。壓力容器接管部位由于承受機械載荷、壓力波動和熱載荷等,易產生應力集中而發生破壞。為保證壓力容器出口接管的完整性,本文應用大型有限元程序 ANSYS對壓力容器出口接管進行了應力強度和疲勞分析,評定結果表明出口接管滿足規范的要求。

2 有限元模型

反應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,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。熱分析與結構分析采用相同的有限元網格,只是分別使用SOLID90熱單元和SOLID95結構單元。出口接管設計溫度為343℃,表1給出350℃材料性能參數。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 出口接管細節圖

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表1 350℃材料性能參數

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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、內壓、熱膨脹、地震和管道載荷等,實際載荷均由六個分量組成,計算時利用APDL語言尋找到最不利的情況進行組合。為減少邊緣效應對計算結果的影響,筒體和接管必須取足夠長的延長段,通過延長段將力和力矩傳到筒體和接管端部。在壓力容器結構對稱面上,施加對稱邊界條件。

計算時,在所有結構內表面施加壓力,同時考慮筒體和接管的靜水端頭力。內壓及其在筒體與接管端部產生的靜水端頭力以均布壓力的形式施加到相應位置;其他機械載荷直接施加到接管端部。沿筒體軸線方向的力,以均布壓力的形式作用在支承臺上,其他兩個方向的則平均分配到各個節點上。沿接管軸線方向的力,以均布壓力的形式作用在內凸臺上,徑向摩擦力則平均分配到各個節點上。機械載荷邊界條件如圖 3、4所示。出口接管坐標系如圖5所示。

熱分析中考慮模型外表面為絕熱,內表面與冷卻劑接觸,在不同位置施加相應的換熱系數,熱邊界條件如圖6所示。熱應力分析時將各瞬態時間點的溫度分布結果,分別加在應力分析中相應時間點上,同時在相應位置施加其余外載。

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圖3 機械載荷邊界條件(俯視圖) 圖4 機械載荷邊界條件(側視圖)

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圖5 出口接管坐標系圖6 熱邊界條件

4 結果與評定

4.1 應力分析

應力分析是基于設計壓力、機械載荷、熱膨脹和地震載荷等的結構分析。根據相關規范,本文利用應力線性化技術,將應力分為彎曲應力和薄膜應力進行評定。應力分析的評定截面如圖7、8所示。應力分析結果與評定如表4所示。

4.2 疲勞分析

在核電站的運行過程中,在各種瞬態作用下,出口接管受到交變載荷的作用。因此不可避免產生疲勞破壞,造成嚴重事故。對其進行疲勞分析可以有效的預防事故的發生。疲勞分析的評定截面見圖7、8。疲勞分析結果與評定如表4所示。

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圖7 評定截面(俯視圖) 圖8 評定截面(側視圖)