朱 焜 陳惠亮 于 浩

（上海核工程研究設(shè)計院 上海200233）

堆內(nèi)構(gòu)件吊籃定位板非線性分析技術(shù)研究

朱 焜 陳惠亮 于 浩

（上海核工程研究設(shè)計院 上海200233）

在反應(yīng)堆設(shè)備系統(tǒng)分析時如何準確模擬其中的非連續(xù)結(jié)構(gòu)一直是個難點。為了研究和準確模擬堆內(nèi)構(gòu)件吊籃定位板的非線性特性，通過ANSYS軟件建立吊籃、堆芯圍筒和吊籃定位板接口的有限元模型，研究吊籃定位板的非線性分析技術(shù)，得到吊籃定位板的彈塑性變形特性，并為反應(yīng)堆設(shè)備系統(tǒng)模型提供輸入。文中使用的方法對于非連續(xù)結(jié)構(gòu)接觸變形問題的非線性分析具有一定的借鑒意義。

吊籃定位板，非連續(xù)結(jié)構(gòu)，非線性接觸分析，ANSYS

反應(yīng)堆系統(tǒng)中存在多處非連續(xù)結(jié)構(gòu)，例如上部堆芯支承板法蘭-壓緊彈性環(huán)-吊籃法蘭接口、吊籃-吊籃定位板-堆芯圍筒接口、堆芯支承下板-徑向支承鍵-堆芯支承塊接口等，這些結(jié)構(gòu)在反應(yīng)堆運行時往往伴隨著間隙、接觸以及彈塑性變形問題，在反應(yīng)堆系統(tǒng)整體分析時如何準確模擬這些結(jié)構(gòu)特性是個難點。

吊籃定位板位于堆芯上板、堆芯圍筒頂板和吊籃筒體之間，起定位及限制堆芯圍筒上部運動的作用。以吊籃-吊籃定位板-堆芯圍筒接口為例，通過有限元軟件ANSYS建立三維模型，在考慮接口間隙和彈塑性接觸的基礎(chǔ)上，分析吊籃定位板接口的非線性變形特性，得到接口的等效剛度，并估計吊籃定位板的失效載荷，計算結(jié)果可作為反應(yīng)堆系統(tǒng)分析模型的輸入。

1 結(jié)構(gòu)模型和材料參數(shù)

1.1結(jié)構(gòu)模型

吊籃定位板是堆芯上板、堆芯圍筒與吊籃筒體的接口，4個定位板與壓力容器4個進口接管角度一致，與圍筒頂板在徑向和環(huán)向上均有一定尺寸的間隙，如圖1(a)和圖1(b)所示。

有限元建模和分析軟件采用ANSYS，由于是對稱結(jié)構(gòu)，建模時只模擬1/4吊籃筒體、1/4圍筒、1個吊籃定位板和相應(yīng)的堆芯圍筒頂板鑲塊及銷釘。本文重點分析定位板的彈塑性變形特性，因此不需要對吊籃進行全部建模，模型中吊籃筒體保守地相對定位板上下各取1270 mm，并且對吊籃筒體邊界作全約束。為了便于施加位移載荷，在圍筒中心定位板中點所在平面上建立1個節(jié)點（節(jié)點1），與堆芯圍筒的邊界剛性連接，如圖1(c)所示。實體模型采用SOLID45單元，建模時考慮定位板與鑲塊之間的徑向和環(huán)向間隙，當堆芯圍筒發(fā)生徑向或環(huán)向運動時，堆芯圍筒頂板、鑲塊、銷釘及定位板之間發(fā)生接觸，因此在接觸區(qū)域各個面上采用3-D接觸單元CONTA173和目標單元TARGE170，見圖1(d)和圖1(e)。整個模型共包含61100個SOLID45單元、5456個CONTA173單元、8997個TARGE170單元、1個MASS21單元和82119個節(jié)點。

1.2材料參數(shù)

隨著載荷增加，結(jié)構(gòu)局部先后由彈性變形進入到塑性變形階段。因此，建模時需要考慮材料的彈塑性性能，見表1[1]。

2 分析方法

2.1環(huán)向運動

通過節(jié)點1逐步對堆芯圍筒施加環(huán)向位移，分析定位板所受反力與鑲塊位移的變化特性。堆芯圍筒的環(huán)向位移和相應(yīng)反作用力曲線見圖2，其中定位板的反作用力通過節(jié)點1的力矩除以節(jié)點1到鑲塊中點的水平距離得到，鑲塊位移通過節(jié)點1的環(huán)向位移乘以節(jié)點1到鑲塊中點的水平距離得到。

圖1 (a) 吊籃定位板；(b) 堆芯圍筒與定位板之間的間隙(mm)；(c) 有限元模型；(d) 模型中的接觸面；(e) 模型中的目標面Fig.1 (a) Alignment plate; (b) Gaps between core shroud and alignment plate; (c) Finite element model; (d) Contact areas of FEM; (e) Target areas of FEM.

表1 設(shè)計溫度343.3 oC下材料的力學(xué)性能Table 1 Material properties at design temperature 343.3 oC.

圖2 堆芯圍筒環(huán)向運動時的力-位移曲線Fig.2 Force-displacement for tangential movement.

由圖2可見，堆芯圍筒與吊籃定位板發(fā)生接觸之后力-位移曲線呈近似雙線性特點，與材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似，吊籃定位板接口的變形過程基本可分為3個階段：

(1) 間隙階段。在圍筒鑲塊位移達到0.15 mm前，吊籃定位板與鑲塊未發(fā)生接觸，因此反作用力為0。

(2) 近似彈性變形階段。當鑲塊位移超過0.15mm時，定位板與鑲塊發(fā)生接觸，反作用力上升，鑲塊位移在0.15–2.00 mm階段，定位板的反作用力與鑲塊位移的關(guān)系近似線性關(guān)系，計算直線的斜率即為圍筒環(huán)向運動時吊籃-定位板-圍筒接口的等效彈性剛度Kec，需要注意的是在這個階段，并非所有結(jié)構(gòu)都處于彈性變形狀態(tài)，局部結(jié)構(gòu)可能已進入塑性變形狀態(tài)。

(3) 近似塑性變形階段。鑲塊位移在2.5–6 mm階段，定位板的反作用力與鑲塊位移的關(guān)系近似線性關(guān)系，同樣可以通過計算直線斜率得到接口的等效塑性剛度Kpc，并且在這個階段也并非所有結(jié)構(gòu)都進入塑性變形狀態(tài)。

當圍筒環(huán)向位移超過6 mm時曲線趨于平緩，隨著位移增大，反作用力增加的幅度有限，因此保守地將分析的最后一個時間點的反作用力取為結(jié)構(gòu)的失效載荷，即Fu=6.604 mm=1281399 N。

2.2徑向運動

通過類似方法可以得到堆芯圍筒發(fā)生徑向運動時定位板反作用力與圍筒鑲塊位移的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 堆芯圍筒徑向運動時力-位移曲線Fig.3 Force-displacement for radial movement.

由圖3可見，堆芯圍筒發(fā)生徑向運動時，吊籃定位板接口的變形過程也可分為3個階段：

(1) 間隙階段。在鑲塊位移達到2.22 mm前，吊籃定位板與圍筒的徑向鑲塊未發(fā)生接觸，因此反作用力為0。

(2) 近似彈性變形階段。當圍筒位移超過了2.22mm時，定位板與鑲塊發(fā)生接觸，反作用力上升，鑲塊位移在2.22–5.07 mm階段，定位板的反作用力與鑲塊位移的關(guān)系近似線性關(guān)系，計算直線的斜率即為圍筒環(huán)向運動時吊籃-定位板-圍筒接口的等效彈性剛度Ker，同樣在這個階段，并非所有結(jié)構(gòu)都處于彈性變形狀態(tài)，局部結(jié)構(gòu)可能已進入塑性變形狀態(tài)。

(3) 圍筒頂板與吊籃筒體接觸階段。當圍筒位移超過5.07 mm時，圍筒頂板與吊籃筒體直接發(fā)生接觸，因此反作用力迅速上升。

在達到失效載荷前，圍筒頂板與吊籃發(fā)生接觸，因此無法估計圍筒徑向運動時結(jié)構(gòu)的失效載荷。

3 結(jié)論

本文通過有限元軟件ANSYS建立吊籃-定位板-堆芯圍筒接口的三維模型，在考慮接口間隙和彈塑性接觸的基礎(chǔ)上，分析吊籃定位板接口的非線性變形特性，得出以下結(jié)論：

(1) 在吊籃定位板接口模型中采用接觸單元模擬相鄰結(jié)構(gòu)之間可能發(fā)生的碰撞，并且在模型中采用等效方式來簡化加載方法和響應(yīng)提取，對于類似問題的解決提供了較為簡便和通用的方法。

(2) 通過分析發(fā)現(xiàn)，在堆芯圍筒發(fā)生環(huán)向和徑向運動與吊籃定位板發(fā)生接觸之后力-位移曲線均呈近似雙線性特點，由此獲得的吊籃定位板接口在發(fā)生徑向和環(huán)向運動時整體結(jié)構(gòu)的等效剛度可用于反應(yīng)堆系統(tǒng)整理模型。

(3) 通過ANSYS軟件處理間隙的非線性問題能夠較為方便的得到結(jié)果，但是分析結(jié)果的精確性仍需要依靠接觸理論和計算機技術(shù)的發(fā)展。

1 ASME第II卷材料. D篇性能[S], 1998版2000補遺, ASME出版社ASME Section II Materials, Part D Properties[S]. Revision 1998, with 2000 Addenda, ASME Publish

Study on non-linear analysis technology of reactor internals core barrel alignment plate

ZHU Kun CHEN Huiliang YU Hao
(Shanghai Nuclear Engineer Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: It is difficult to accurately simulate the non-continuous structure in reactor equipment system. Purpose: In order to investigate and simulate the non-linear characteristic of core barrel alignment plate. Methods: In this paper, a finite element model of core barrel alignment plate interface is established to investigate the non-linear analysis technology. Results: The elastoplastic deformation characters, which are obtained using finite element analysis by ANSYS software, are prepared as inputs for reactor equipment system model. Conclusions: The method used in this paper has certain referential significance for simulating the contact between non-continuous structures.

Core barrel alignment plate, Non-continuous structure, Non-linear contact analysis, ANSYS

TL351.1，TL371，TP319

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040646

朱焜，男，1984年出生，2009年畢業(yè)于上海交通大學(xué)，一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)專業(yè)，現(xiàn)就職于上海核工程研究設(shè)計院，工程師

2012-10-31，

2013-01-07

CLC TL351.1, TL371, TP319