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

1 前言

反應(yīng)堆壓力容器是反應(yīng)堆的關(guān)鍵性部件,在核電站的運行過程中,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械載荷、壓力波動和熱載荷等,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對壓力容器出口接管進行了應(yīng)力強度和疲勞分析,評定結(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,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(yīng)對計算結(jié)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(jié)構(gòu)對稱面上,施加對稱邊界條件。

計算時,在所有結(jié)構(gòu)內(nèi)表面施加壓力,同時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壓力的形式施加到相應(yīng)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(jié)點上。沿接管軸線方向的力,以均布壓力的形式作用在內(nèi)凸臺上,徑向摩擦力則平均分配到各個節(jié)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(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)力分析時將各瞬態(tài)時間點的溫度分布結(jié)果,分別加在應(yīng)力分析中相應(yīng)時間點上,同時在相應(yīng)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(cè)視圖)

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