ANSYS在CEFR堆容器溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的計(jì)算及分析

2017-03-02 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

[導(dǎo)讀]本文主要介紹應(yīng)用ANSYS程序計(jì)算CEFR堆容器的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力、地震應(yīng)力等等,完成CEFR堆容器的整個(gè)計(jì)算和評(píng)定,凸顯了ANSYS作為大型通用的有限元程序,對(duì)我們核工程實(shí)際工作的強(qiáng)大支持。

本文主要介紹應(yīng)用ANSYS程序計(jì)算CEFR堆容器的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力、地震應(yīng)力等等,完成CEFR堆容器的整個(gè)計(jì)算和評(píng)定,凸顯了ANSYS作為大型通用的有限元程序,對(duì)我們核工程實(shí)際工作的強(qiáng)大支持,尤其是ANSYS在CEFR堆容器溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力方面的計(jì)算,在一定程度上已經(jīng)超越了專門(mén)熱工軟件所能完成的范圍。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)是國(guó)家重點(diǎn)工程,是國(guó)家863計(jì)劃能源領(lǐng)域最重要的項(xiàng)目。在CEFR以前的初步設(shè)計(jì)階段,我們雖然購(gòu)買(mǎi)了ANSYS程序,但應(yīng)用方面沒(méi)有體現(xiàn)出ANSYS作為國(guó)際上大型的通用的有限元分析軟件的特點(diǎn),但是在CEFR施工設(shè)計(jì)階段,我們運(yùn)用ANSYS計(jì)算了CEFR堆容器的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力、地震應(yīng)力等等,完成了CEFR堆容器的整個(gè)計(jì)算和評(píng)定,凸顯了ANSYS作為大型通用的有限元程序,對(duì)我們核工程實(shí)際工作的強(qiáng)大支持,尤其是ANSYS在CEFR堆容器溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力方面的計(jì)算,在一定程度上已經(jīng)超越了專門(mén)熱工軟件能完成的范圍。

堆容器是CEFR堆的核心組成部件,按照規(guī)范要求,對(duì)堆容器的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定需要計(jì)算溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力,本文利用ANSYS程序的熱分析功能,建立堆容器各個(gè)部分的分析模型,采用變參數(shù)輸入、等效熱導(dǎo)率等方法計(jì)算了堆容器在不同工況下的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力,為堆容器的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定提供各種熱應(yīng)力結(jié)果。

1結(jié)構(gòu)和材料

CEFR堆容器由主容器和保護(hù)容器雙層殼以及堆容器支承組成,外層為保護(hù)容器,保護(hù)容器外部覆蓋有相應(yīng)厚度的保溫層,內(nèi)層為主容器。

在材料部分,遇到的困難是氬氣層如何處理的問(wèn)題。按規(guī)范要求,氬氣層應(yīng)考慮傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種傳熱方式的混合換熱,我們運(yùn)用ANSYS程序的溫度場(chǎng)計(jì)算功能,僅由熱工提供溫度邊界條件(環(huán)境溫度、對(duì)流換熱系數(shù)等),完成了堆容器軸對(duì)稱模型的溫度場(chǎng)計(jì)算,這項(xiàng)工作替代了熱工的計(jì)算工作。同時(shí),為了解決占用內(nèi)存、計(jì)算時(shí)間等問(wèn)題,我們?cè)谟?jì)算中采用了等效熱導(dǎo)率的方法:將氬氣層作為一種實(shí)體材料,與堆容器同時(shí)建模分網(wǎng)。選取一種模型的一個(gè)時(shí)間點(diǎn),分別建立有氬氣層和無(wú)氬氣層兩種模型,用ANSYS所建立的堆容器上部有氬氣層模型和無(wú)氬氣層模型見(jiàn)圖1。

對(duì)于兩種模型,先由ANSYS模型一提出氬氣層大致的等效熱導(dǎo)率值,不斷調(diào)節(jié)有氬氣層模型中氬氣層的熱導(dǎo)率,直到有氬氣層模型計(jì)算的溫度場(chǎng)與輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流同時(shí)作用的無(wú)氬氣層模型溫度場(chǎng)一致,此熱導(dǎo)率值可作為氬氣層的等效熱導(dǎo)率。再選取不同模型的不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行若干次驗(yàn)證,證明這種方法是可行的,并將有氬氣層模型計(jì)算得到的每一個(gè)溫度場(chǎng)與熱工計(jì)算的溫度場(chǎng)進(jìn)行比較驗(yàn)證,經(jīng)熱工專家確認(rèn)后用于力學(xué)輸入。堆容器上部有氬氣層和無(wú)氬氣層模型計(jì)算某一時(shí)間點(diǎn)所得的兩種溫度場(chǎng)示于圖2。

2溫度邊界和變參數(shù)輸入

2.1溫度邊界

在ANSYS模型中,堆容器的工況和溫度邊界條件是按軸對(duì)稱給出的。工況僅給出啟動(dòng)過(guò)程中10個(gè)時(shí)間點(diǎn)上對(duì)應(yīng)于各計(jì)算板塊的環(huán)境溫度和對(duì)流換熱系數(shù)。

2.2變參數(shù)輸入

在ANSYS模型計(jì)算中,存在著隨溫度變化的參數(shù),如保溫層材料的熱導(dǎo)率、主容器和保護(hù)容器材料的熱導(dǎo)率和比熱。為了解決這一問(wèn)題,利用ANSYS程序表格輸入功能,輸入若干個(gè)溫度下的參數(shù)值。計(jì)算過(guò)程中,ANSYS將根據(jù)材料溫度的變化選取合適的參數(shù)值或按線性插值法取參數(shù)值。

ANSYS模型計(jì)算中隨溫度變化的參數(shù)輸入:

(1)保溫層熱導(dǎo)率W/(m?℃),式中t為溫度。

(2)材料熱導(dǎo)率W/(m?℃),比熱C=503+0.1725t J/(kg?℃)。

3 ANSYS計(jì)算模型

整個(gè)堆容器的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力計(jì)算建立了六個(gè)部分的模型進(jìn)行計(jì)算。

第一部分是堆容器上、中、下三個(gè)部分的ANSYS三維軸對(duì)稱模型,用來(lái)計(jì)算軸對(duì)稱條件下的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力;第二部分是三個(gè)錐頂蓋的ANSYS三維實(shí)體元模型:二分之一錐頂蓋模型、四分之一錐頂蓋模型、提升機(jī)導(dǎo)管區(qū)域的錐頂蓋模型;第三部分是建立堆容器裙座部分的ANSYS三維實(shí)體元模型,用來(lái)計(jì)算堆容器支承部分的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力。

3.1軸對(duì)稱模型

采用ANSYS的熱單元plane77—結(jié)構(gòu)單元plane82,分別建立堆容器上、中、下的軸對(duì)稱三維元模型,用來(lái)計(jì)算軸對(duì)稱條件下不同工況的各時(shí)間點(diǎn)的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力。

軸對(duì)稱模型的Y軸豎直向上,X軸沿徑向,X、Y、Z軸成右手系。

堆容器上部的ANSYS軸對(duì)稱模型如圖3(1),中部的ANSYS軸對(duì)稱模型如圖3(2);下部的ANSYS軸對(duì)稱模型如圖3(3),

在ANSYS的LOAD中對(duì)三個(gè)部分的軸對(duì)稱模型輸入環(huán)境溫度、對(duì)流換熱系數(shù)和釋熱率。

3.2錐頂蓋三維元模型

根據(jù)ANSYS完成結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的特點(diǎn),建立錐頂蓋二分之一結(jié)構(gòu)的ANSYS三維實(shí)體元模型一如圖4(1)。為了更準(zhǔn)確計(jì)算各接管的熱應(yīng)力,建立接管區(qū)域的ANSYS三維模型二如圖4(2),細(xì)化網(wǎng)格計(jì)算。同時(shí),建立導(dǎo)管區(qū)的三維模型如圖4(3),利用ANSYS的子模型讀入功能(ANSYS的這項(xiàng)功能有著很大的作用),根據(jù)模型一的計(jì)算結(jié)果,模型二、三的邊界條件直接從模型一的計(jì)算結(jié)果讀取。

3.3裙座模型

為了計(jì)算裙座在溫度載荷作用下的應(yīng)力,利用ANSYS的熱單元solid90-結(jié)構(gòu)單元solid95,建立裙座的三維元ANSYS模型如圖5。再次利用ANSYS的子模型讀入功能,溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)裙座的表面溫度分布從軸對(duì)稱模型溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果中讀取。

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