ANSYS在CEFR堆容器温度场和热应力的计算及分析

2017-03-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

[导读]本文主要介绍应用ANSYS程序计算CEFR堆容器的温度场、热应力、地震应力等等,完成CEFR堆容器的整个计算和评定,凸显了ANSYS作为大型通用的有限元程序,对我们核工程实际工作的强大支持。

本文主要介绍应用ANSYS程序计算CEFR堆容器的温度场、热应力、地震应力等等,完成CEFR堆容器的整个计算和评定,凸显了ANSYS作为大型通用的有限元程序,对我们核工程实际工作的强大支持,尤其是ANSYS在CEFR堆容器温度场和热应力方面的计算,在一定程度上已经超越了专门热工软件所能完成的范围。

中国实验快堆(CEFR)是国家重点工程,是国家863计划能源领域最重要的项目。在CEFR以前的初步设计阶段,我们虽然购买了ANSYS程序,但应用方面没有体现出ANSYS作为国际上大型的通用的有限元分析软件的特点,但是在CEFR施工设计阶段,我们运用ANSYS计算了CEFR堆容器的温度场、热应力、地震应力等等,完成了CEFR堆容器的整个计算和评定,凸显了ANSYS作为大型通用的有限元程序,对我们核工程实际工作的强大支持,尤其是ANSYS在CEFR堆容器温度场和热应力方面的计算,在一定程度上已经超越了专门热工软件能完成的范围。

堆容器是CEFR堆的核心组成部件,按照规范要求,对堆容器的应力强度评定需要计算温度场和热应力,本文利用ANSYS程序的热分析功能,建立堆容器各个部分的分析模型,采用变参数输入、等效热导率等方法计算了堆容器在不同工况下的温度场和热应力,为堆容器的应力强度评定提供各种热应力结果。

1结构和材料

CEFR堆容器由主容器和保护容器双层壳以及堆容器支承组成,外层为保护容器,保护容器外部覆盖有相应厚度的保温层,内层为主容器。

在材料部分,遇到的困难是氩气层如何处理的问题。按规范要求,氩气层应考虑传导、对流、辐射三种传热方式的混合换热,我们运用ANSYS程序的温度场计算功能,仅由热工提供温度边界条件(环境温度、对流换热系数等),完成了堆容器轴对称模型的温度场计算,这项工作替代了热工的计算工作。同时,为了解决占用内存、计算时间等问题,我们在计算中采用了等效热导率的方法:将氩气层作为一种实体材料,与堆容器同时建模分网。选取一种模型的一个时间点,分别建立有氩气层和无氩气层两种模型,用ANSYS所建立的堆容器上部有氩气层模型和无氩气层模型见图1。

对于两种模型,先由ANSYS模型一提出氩气层大致的等效热导率值,不断调节有氩气层模型中氩气层的热导率,直到有氩气层模型计算的温度场与辐射、传导、对流同时作用的无氩气层模型温度场一致,此热导率值可作为氩气层的等效热导率。再选取不同模型的不同时间点进行若干次验证,证明这种方法是可行的,并将有氩气层模型计算得到的每一个温度场与热工计算的温度场进行比较验证,经热工专家确认后用于力学输入。堆容器上部有氩气层和无氩气层模型计算某一时间点所得的两种温度场示于图2。

2温度边界和变参数输入

2.1温度边界

在ANSYS模型中,堆容器的工况和温度边界条件是按轴对称给出的。工况仅给出启动过程中10个时间点上对应于各计算板块的环境温度和对流换热系数。

2.2变参数输入

在ANSYS模型计算中,存在着随温度变化的参数,如保温层材料的热导率、主容器和保护容器材料的热导率和比热。为了解决这一问题,利用ANSYS程序表格输入功能,输入若干个温度下的参数值。计算过程中,ANSYS将根据材料温度的变化选取合适的参数值或按线性插值法取参数值。

ANSYS模型计算中随温度变化的参数输入:

(1)保温层热导率W/(m?℃),式中t为温度。

(2)材料热导率W/(m?℃),比热C=503+0.1725t J/(kg?℃)。

3 ANSYS计算模型

整个堆容器的温度场和热应力计算建立了六个部分的模型进行计算。

第一部分是堆容器上、中、下三个部分的ANSYS三维轴对称模型,用来计算轴对称条件下的温度场、热应力;第二部分是三个锥顶盖的ANSYS三维实体元模型:二分之一锥顶盖模型、四分之一锥顶盖模型、提升机导管区域的锥顶盖模型;第三部分是建立堆容器裙座部分的ANSYS三维实体元模型,用来计算堆容器支承部分的温度场、热应力。

3.1轴对称模型

采用ANSYS的热单元plane77—结构单元plane82,分别建立堆容器上、中、下的轴对称三维元模型,用来计算轴对称条件下不同工况的各时间点的温度场、热应力。

轴对称模型的Y轴竖直向上,X轴沿径向,X、Y、Z轴成右手系。

堆容器上部的ANSYS轴对称模型如图3(1),中部的ANSYS轴对称模型如图3(2);下部的ANSYS轴对称模型如图3(3),

在ANSYS的LOAD中对三个部分的轴对称模型输入环境温度、对流换热系数和释热率。

3.2锥顶盖三维元模型

根据ANSYS完成结构对称性的特点,建立锥顶盖二分之一结构的ANSYS三维实体元模型一如图4(1)。为了更准确计算各接管的热应力,建立接管区域的ANSYS三维模型二如图4(2),细化网格计算。同时,建立导管区的三维模型如图4(3),利用ANSYS的子模型读入功能(ANSYS的这项功能有着很大的作用),根据模型一的计算结果,模型二、三的边界条件直接从模型一的计算结果读取。

3.3裙座模型

为了计算裙座在温度载荷作用下的应力,利用ANSYS的热单元solid90-结构单元solid95,建立裙座的三维元ANSYS模型如图5。再次利用ANSYS的子模型读入功能,温度场计算时裙座的表面温度分布从轴对称模型温度场的计算结果中读取。

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