唐旭，張繼革，王德忠

屏蔽電機(jī)主泵雙金屬飛輪飛射物對(duì)承壓邊界完整性破壞作用

唐旭，張繼革，王德忠

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

掌握反應(yīng)堆冷卻劑泵雙金屬飛輪飛射物對(duì)承壓邊界完整性的影響規(guī)律?；贏NSYS/LS-DYNA對(duì)飛輪保持環(huán)失效后鎢合金塊與承壓邊界的碰撞過(guò)程進(jìn)行分析，模擬承壓邊界在重要因素（電機(jī)殼厚度、鎢合金塊數(shù)）的影響下對(duì)飛輪飛射物的包容過(guò)程。在保持飛射物入射初速度不變的情況下，當(dāng)電機(jī)殼厚度小于118 mm時(shí)，發(fā)生非包容性失效。改變鎢合金塊數(shù)（4、8、12、16塊），可以發(fā)現(xiàn)鎢合金塊數(shù)越多，飛射物對(duì)承壓邊界施加的破壞能量就越小。增加電機(jī)殼厚度、鎢合金塊數(shù)有利于承壓邊界能夠很好地包容住所有飛射物。該研究成果對(duì)屏蔽電機(jī)主泵惰轉(zhuǎn)飛輪的可靠性設(shè)計(jì)具有重要意義。

屏蔽電機(jī)主泵；雙金屬飛輪；包容性分析；承壓邊界完整性

反應(yīng)堆一回路中，核主泵作為關(guān)鍵部件，推動(dòng)冷卻劑源源不斷地流入堆芯，完成在堆芯、冷卻劑環(huán)路和蒸汽發(fā)生器之間的循環(huán)。為確保主泵具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，設(shè)計(jì)有大慣量飛輪，飛輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。飛輪內(nèi)部由12塊高密度鎢合金塊組成，在鎢合金扇形塊外熱套一定壁厚且具有高強(qiáng)度的馬氏體時(shí)效鋼保持環(huán)，并具有足夠的過(guò)盈量，使得高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鎢合金塊產(chǎn)生的離心力完全由保持環(huán)承受。倘若保持環(huán)發(fā)生斷裂，將會(huì)產(chǎn)生具有較大能量的飛射物碎片，對(duì)主泵的承壓邊界（如電機(jī)殼）產(chǎn)生重大沖擊。如果承壓邊界對(duì)飛射物碎片不能很好地包容，會(huì)造成嚴(yán)重的輻射泄漏等重大核事故[1]。

圖1 飛輪結(jié)構(gòu)

從研究對(duì)象和過(guò)程看，飛輪飛射物包容問(wèn)題與航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容問(wèn)題具有很大的相似性。針對(duì)轉(zhuǎn)子碎片包容問(wèn)題，在航空機(jī)匣包容領(lǐng)域已經(jīng)有了很深的積累，并且有了系統(tǒng)的評(píng)定準(zhǔn)則[2-5]，但針對(duì)大型屏蔽電機(jī)主泵雙金屬飛輪破損后飛射物與承壓邊界的碰撞問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。美國(guó)核管會(huì)管理導(dǎo)則RG 1.14—1975規(guī)定，當(dāng)承壓邊界任意一點(diǎn)發(fā)生侵徹穿透時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了非包容性失效。為了充分認(rèn)識(shí)反應(yīng)堆冷卻劑泵雙金屬飛輪飛射物對(duì)承壓邊界完整性的影響規(guī)律，文中基于ANSYS/LS- DYNA[6-8]對(duì)飛輪保持環(huán)失效后鎢合金塊與承壓邊界的碰撞過(guò)程進(jìn)行分析，模擬了承壓邊界在重要因素（電機(jī)殼厚度、鎢合金塊數(shù)）的影響下對(duì)飛輪飛射物的包容過(guò)程。

1 材料模型

由于飛輪保持環(huán)破碎后，鎢合金塊與包容邊界的相互作用為高應(yīng)變率、大變形、溫度急劇升高的沖擊過(guò)程，因此選用Johnson-Cook材料模型[9]，應(yīng)力方程為：

斷裂應(yīng)變方程為：

表1 Johnson-Cook材料模型參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算可靠性驗(yàn)證

參照文獻(xiàn)[10]中三次圓盤碎片撞擊圓筒體試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)文中計(jì)算方法的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。圓盤碎片和圓筒體的材料都是45#鋼，將圓盤碎片設(shè)置為剛體，圓筒體輸入45#鋼 Johnson-Cook材料模型參數(shù)，得到三次仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如圖2所示。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，壁厚4 mm的圓筒壁發(fā)生穿透失效，壁厚8 mm的圓筒體能完好地包容住圓盤碎片，與試驗(yàn)結(jié)果基本相同。由于壁厚6 mm的圓筒壁處于臨界包容狀態(tài)，故數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有差異。由于數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中試驗(yàn)結(jié)果基本一致，所以文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的。

3 有限元模型

在屏蔽式電機(jī)主泵飛輪中，保持環(huán)將12個(gè)鎢合金塊固定在內(nèi)輪轂上。當(dāng)飛輪保持環(huán)破碎時(shí)，假設(shè)鎢合金外側(cè)已經(jīng)沒(méi)有保持環(huán)包圍，忽略保持環(huán)破碎所產(chǎn)生的碎片，該計(jì)算結(jié)果更為保守。采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，12塊鎢合金塊包含9792個(gè)單元，電機(jī)殼包含200 000個(gè)單元，有限元模型如圖3所示。

鎢合金塊內(nèi)徑為293 mm，外徑為430 mm，軸向高度為408 mm，設(shè)置為剛體。參數(shù)選?。好芏葹?8 500 kg/m3，彈性模量為3.65×1011Pa，泊松比為0.285，屈服應(yīng)力為1.3×109Pa。電機(jī)殼內(nèi)徑為970 mm，材料模型取Johnson-Cook模型。為了便于從公開文獻(xiàn)中獲得仿真所需的Johnson-Cook模型的材料參數(shù)，選用1006鋼作為電機(jī)殼材料。鎢合金塊與電機(jī)殼的靜摩擦系數(shù)取0.15，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.1。

圖2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3 有限元模型

文獻(xiàn)[13]指出，在超速事故工況下，獲得飛輪發(fā)生非延性斷裂轉(zhuǎn)速為6600 r/min。該轉(zhuǎn)速將作為飛輪破碎后的初速度，則每個(gè)鎢合金塊以初速度249.85 m/s沿著切線方向碰撞電機(jī)殼。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 不同電機(jī)殼厚度對(duì)碰撞的影響

在Workbench中完成建模、網(wǎng)格劃分前處理工作后，輸出K文件，導(dǎo)入到LS-DYNA進(jìn)行求解，在后處理器LS-PREPOST中讀入計(jì)算文件。12個(gè)鎢合金塊與電機(jī)殼的碰撞過(guò)程及等效應(yīng)力分布如圖4所示。可以看到，當(dāng)電機(jī)殼厚度為100 mm和111 mm時(shí)，鎢合金塊與電機(jī)殼碰撞后，電機(jī)殼發(fā)較大生塑性變形，最終被鎢合金塊擊穿，發(fā)生非包容性失效。當(dāng)電機(jī)殼厚度為118 mm時(shí)，電機(jī)殼處于臨界包容狀態(tài)，雖然部分被撕裂，但鎢合金塊被成功包容在電機(jī)殼內(nèi)。當(dāng)電機(jī)殼厚度為125 mm時(shí)，電機(jī)殼未被完全破壞，且成功包容住鎢合金塊。因此增加電機(jī)殼厚度，可以提高電機(jī)殼對(duì)鎢合金塊的包容能力。

圖4 不同電機(jī)殼壁厚仿真結(jié)果（von Mises應(yīng)力單位: kPa）

4.2 不同鎢合金塊數(shù)對(duì)碰撞的影響

為了研究不同鎢合金塊數(shù)的飛輪破碎后，鎢合金塊對(duì)承壓邊界的破壞作用，進(jìn)一步為飛輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，研究了在相同的破裂轉(zhuǎn)速（6600 r/min）情況下，計(jì)算了4、8、16塊鎢合金的飛輪破碎后，產(chǎn)生的鎢合金塊與電機(jī)殼的碰撞情況。4塊鎢合金塊可以直接擊穿200 mm厚的電機(jī)殼，250 mm厚的電機(jī)殼才能完全包容住鎢合金塊，如圖5所示；8塊鎢合金塊可以徹底撕裂125 mm厚的電機(jī)殼，150 mm厚的電機(jī)殼可以包容住所有鎢合金塊，如圖6所示；16塊鎢合金塊被完全包容在厚度為105 mm的電機(jī)殼內(nèi)，盡管此時(shí)電機(jī)殼部分被撕裂，處于臨界包容狀態(tài)，而110 mm厚的電機(jī)殼可以完好無(wú)損地包容住鎢合金塊，如圖7所示。由此可得，隨著鎢合金塊數(shù)的增多，電機(jī)殼所需包容住鎢合金塊的臨界厚度也隨之減小。

4.3 綜合分析

綜合考慮電機(jī)殼厚度、鎢合金塊數(shù)量?jī)蓚€(gè)因素，將上述仿真結(jié)果反映到圖8中。由圖8可以看到，隨著鎢合金塊數(shù)量的增加，電機(jī)殼所能包容鎢合金塊所需的臨界厚度也隨之減小。同時(shí)增加電機(jī)殼厚度，可以有效增加電機(jī)殼對(duì)鎢合金塊的包容能力。

5 結(jié)論

文中應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA對(duì)飛輪保持環(huán)失效后鎢合金塊與承壓邊界的碰撞過(guò)程進(jìn)行分析，模擬了承壓邊界在重要因素（電機(jī)殼厚度、鎢合金塊數(shù)）的影響下對(duì)飛輪飛射物的包容過(guò)程，獲取了在不同電機(jī)殼厚度、鎢合金塊數(shù)下，電機(jī)殼對(duì)飛輪飛射物的包容結(jié)果。

1）在保持飛射物入射初速度不變的情況下，增加電機(jī)殼厚度可以提高承壓邊界對(duì)飛輪飛射物的包容能力。當(dāng)飛輪設(shè)計(jì)為12塊鎢合金塊，破裂轉(zhuǎn)速為6600 r/min（飛射初速度為249.85 m/s）時(shí)，電機(jī)殼包容臨界厚度為118 mm；當(dāng)電機(jī)殼厚度為111 mm時(shí)，則發(fā)生非包容性失效。

圖5 4塊鎢合金塊與電機(jī)殼碰撞情況（von Mises應(yīng)力單位: kPa）

圖6 8塊鎢合金塊與電機(jī)殼碰撞情況（von Mises應(yīng)力單位: kPa）

圖7 16塊鎢合金塊與電機(jī)殼碰撞情況（von Mises應(yīng)力單位: kPa）

2）飛輪鎢合金塊的數(shù)量越多，則飛輪破碎后所產(chǎn)生的飛射物對(duì)承壓邊界施加的破壞能量就越小，即電機(jī)殼的臨界厚度越小。當(dāng)飛輪設(shè)計(jì)為16塊鎢合金塊，破裂轉(zhuǎn)速為6600 r/min（飛射初速度為249.85 m/s）時(shí)，電機(jī)殼包容臨界厚度為105 mm，比包容12塊鎢合金塊飛輪的電機(jī)殼臨界厚度薄13 mm。

圖8 鎢合金塊與電機(jī)殼碰撞結(jié)果

[1] 崔海燕, 李天斌. 核主泵飛輪結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求探討[J]. 通用機(jī)械, 2015(9): 79-82.

[2] 宣海軍, 洪偉榮, 吳榮仁. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片包容試驗(yàn)及數(shù)值模擬[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2005, 20(5): 762-767.

[3] 張曉峰, 宣海軍, 吳榮仁. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片包容模擬試驗(yàn)與數(shù)值仿真研究[[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī), 2005, 31(4):39-42.

[4] HAGG A C, SANKEY G O. The Containment of Disk Burst Fragments by Cylindrical Shells[J]. Journal of Engineering for Power, Transaction of the ASME, 1974, 96: 114-123.

[5] 何慶, 宣海軍, 廖連芳, 等. 平板條葉片撞擊靶板的數(shù)值仿真研究[[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī), 2009, 35(3): 26-29.

[6] ERIC S, STEVEN H. The Use of LS-DYNA Models to Predict contaInment of Disk Burst Fragments[C]// 10th International LS-DYNA User Conference. [s. l.]: [s. n.], 2008.

[7] 唐長(zhǎng)剛. LS-DYNA有限元分析及仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

[8] 張紅松, 胡仁喜, 康士廷. ANSYS14. 5/LS-DYNA非線性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)版社, 2013.

[9] 范亞夫, 段祝平. Johnson-Cook材料模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2003(5): 40-43.

[10] 李娟娟. 圓環(huán)/輪盤包容問(wèn)題的數(shù)值評(píng)定方法研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2010.

[11] VIDOSAV M, ZIVANA J. Hydro-multipoint Forming, a Challenge in Sheet Metal Forming[C]// Proceedings of 5th International Conference on Advanced Manufacturing Engineering and Technologies: NEWTECH 2017. [s. l.]: [s. n.], 2017.

[12] 熊令芳, 胡凡金. 非線性動(dòng)力分析方法與工程應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2016.

[13] 李斌. 大型屏蔽電機(jī)主泵雙金屬飛輪飛射物包容及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2017.

Destructive Effect on Integrity of Pressure-retaining Boundary Imposed by Bimetal Flywheel Missiles in the Canned Motor Pump

TANG Xu, ZHANG Ji-ge, WANG De-zhong

(Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China)

To grasp the influencing rule of the destructive effect on integrity of pressure-retaining boundary imposed by bimetal flywheel missiles in the reactor coolant pump.This paper analyzed the impact between tungsten alloy block and pressure-retaining boundary (motor casing) after the failure of the flywheel retaining ring by ANSYS/LS-DYNA, and simulated the process that the boundary contains the flywheel missiles under different conditions (the thickness of motor casing, the number of tungsten alloy blocks).The uncontained accidents occur when the thickness of the motor casing was less than 118 mm, with incident velocity being constant. The more number of tungsten alloy blocks, the less destructive energy that the missile put on the boundary could be observed by changing the number of tungsten alloy blocks (4,8,12,16).Increasing the thickness of motor casing and number of tungsten alloy blocks could help the pressure-retaining boundary contain the missiles successfully. The results of this research are of great significance to the reliability design of the canned motor pump inert flywheel.

canned motor pump; bimetal flywheel; containment analysis; integrity of pressure-retaining boundary

10.7643/ issn.1672-9242.2019.02.004

TL327

A

1672-9242(2019)02-0016-06

2018-12-03；

2018-12-14

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2015CB057306）

唐旭（1991—），男，湖南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹穗娧b備力學(xué)分析。

張繼革（1968—），男，黑龍江人，副研究員，主要研究方向?yàn)楹穗娧b備力學(xué)分析。