ANSYS在反应堆压力容器出口接管力学分析应用

1 前言

反应堆压力容器是反应堆的关键性部件,在核电站的运行过程中,反应堆压力容器主要装载反应堆堆芯和高温高压的冷却剂,要求在各种工况下均能保证结构的完整性。压力容器接管部位由于承受机械载荷、压力波动和热载荷等,易产生应力集中而发生破坏。为保证压力容器出口接管的完整性,本文应用大型有限元程序 ANSYS对压力容器出口接管进行了应力强度和疲劳分析,评定结果表明出口接管满足规范的要求。

2 有限元模型

反应堆压力容器出口接管有限元模型主要包括筒体、接管、安全端和焊缝等部分。在ANSYS中建立出口接管的三维模型时,筒体部分采用半模型,出口接管部分采用全模型。有限元模型如图1、2所示。热分析与结构分析采用相同的有限元网格,只是分别使用SOLID90热单元和SOLID95结构单元。出口接管设计温度为343℃,表1给出350℃材料性能参数。表2、3给出材料疲劳曲线。

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图1 有限元模型图                图2 出口接管细节图

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表1 350℃材料性能参数

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表2 16MND5的疲劳曲线

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表3 Z2CND18-12的疲劳曲线

 
注:焊缝材料也保守地取该疲劳曲线

3 边界条件与载荷

压力容器出口接管需要承受自重、内压、热膨胀、地震和管道载荷等,实际载荷均由六个分量组成,计算时利用APDL语言寻找到最不利的情况进行组合。为减少边缘效应对计算结果的影响,筒体和接管必须取足够长的延长段,通过延长段将力和力矩传到筒体和接管端部。在压力容器结构对称面上,施加对称边界条件。

计算时,在所有结构内表面施加压力,同时考虑筒体和接管的静水端头力。内压及其在筒体与接管端部产生的静水端头力以均布压力的形式施加到相应位置;其他机械载荷直接施加到接管端部。沿筒体轴线方向的力,以均布压力的形式作用在支承台上,其他两个方向的则平均分配到各个节点上。沿接管轴线方向的力,以均布压力的形式作用在内凸台上,径向摩擦力则平均分配到各个节点上。机械载荷边界条件如图 3、4所示。出口接管坐标系如图5所示。

热分析中考虑模型外表面为绝热,内表面与冷却剂接触,在不同位置施加相应的换热系数,热边界条件如图6所示。热应力分析时将各瞬态时间点的温度分布结果,分别加在应力分析中相应时间点上,同时在相应位置施加其余外载。

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图3 机械载荷边界条件(俯视图)             图4 机械载荷边界条件(侧视图)

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