ANSYS在CEFR堆容器溫度場和熱應力的計算及分析

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

[導讀]本文主要介紹應用ANSYS程序計算CEFR堆容器的溫度場、熱應力、地震應力等等,完成CEFR堆容器的整個計算和評定,凸顯了ANSYS作為大型通用的有限元程序,對我們核工程實際工作的強大支持。

本文主要介紹應用ANSYS程序計算CEFR堆容器的溫度場、熱應力、地震應力等等,完成CEFR堆容器的整個計算和評定,凸顯了ANSYS作為大型通用的有限元程序,對我們核工程實際工作的強大支持,尤其是ANSYS在CEFR堆容器溫度場和熱應力方面的計算,在一定程度上已經(jīng)超越了專門熱工軟件所能完成的范圍。

中國實驗快堆(CEFR)是國家重點工程,是國家863計劃能源領域最重要的項目。在CEFR以前的初步設計階段,我們雖然購買了ANSYS程序,但應用方面沒有體現(xiàn)出ANSYS作為國際上大型的通用的有限元分析軟件的特點,但是在CEFR施工設計階段,我們運用ANSYS計算了CEFR堆容器的溫度場、熱應力、地震應力等等,完成了CEFR堆容器的整個計算和評定,凸顯了ANSYS作為大型通用的有限元程序,對我們核工程實際工作的強大支持,尤其是ANSYS在CEFR堆容器溫度場和熱應力方面的計算,在一定程度上已經(jīng)超越了專門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,對堆容器的應力強度評定需要計算溫度場和熱應力,本文利用ANSYS程序的熱分析功能,建立堆容器各個部分的分析模型,采用變參數(shù)輸入、等效熱導率等方法計算了堆容器在不同工況下的溫度場和熱應力,為堆容器的應力強度評定提供各種熱應力結果。

1結構和材料

CEFR堆容器由主容器和保護容器雙層殼以及堆容器支承組成,外層為保護容器,保護容器外部覆蓋有相應厚度的保溫層,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題。按規(guī)范要求,氬氣層應考慮傳導、對流、輻射三種傳熱方式的混合換熱,我們運用ANSYS程序的溫度場計算功能,僅由熱工提供溫度邊界條件(環(huán)境溫度、對流換熱系數(shù)等),完成了堆容器軸對稱模型的溫度場計算,這項工作替代了熱工的計算工作。同時,為了解決占用內(nèi)存、計算時間等問題,我們在計算中采用了等效熱導率的方法:將氬氣層作為一種實體材料,與堆容器同時建模分網(wǎng)。選取一種模型的一個時間點,分別建立有氬氣層和無氬氣層兩種模型,用ANSYS所建立的堆容器上部有氬氣層模型和無氬氣層模型見圖1。

對于兩種模型,先由ANSYS模型一提出氬氣層大致的等效熱導率值,不斷調(diào)節(jié)有氬氣層模型中氬氣層的熱導率,直到有氬氣層模型計算的溫度場與輻射、傳導、對流同時作用的無氬氣層模型溫度場一致,此熱導率值可作為氬氣層的等效熱導率。再選取不同模型的不同時間點進行若干次驗證,證明這種方法是可行的,并將有氬氣層模型計算得到的每一個溫度場與熱工計算的溫度場進行比較驗證,經(jīng)熱工專家確認后用于力學輸入。堆容器上部有氬氣層和無氬氣層模型計算某一時間點所得的兩種溫度場示于圖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稱給出的。工況僅給出啟動過程中10個時間點上對應于各計算板塊的環(huán)境溫度和對流換熱系數(shù)。

2.2變參數(shù)輸入

在ANSYS模型計算中,存在著隨溫度變化的參數(shù),如保溫層材料的熱導率、主容器和保護容器材料的熱導率和比熱。為了解決這一問題,利用ANSYS程序表格輸入功能,輸入若干個溫度下的參數(shù)值。計算過程中,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模型計算中隨溫度變化的參數(shù)輸入:

(1)保溫層熱導率W/(m?℃),式中t為溫度。

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

3 ANSYS計算模型

整個堆容器的溫度場和熱應力計算建立了六個部分的模型進行計算。

第一部分是堆容器上、中、下三個部分的ANSYS三維軸對稱模型,用來計算軸對稱條件下的溫度場、熱應力;第二部分是三個錐頂蓋的ANSYS三維實體元模型:二分之一錐頂蓋模型、四分之一錐頂蓋模型、提升機導管區(qū)域的錐頂蓋模型;第三部分是建立堆容器裙座部分的ANSYS三維實體元模型,用來計算堆容器支承部分的溫度場、熱應力。

3.1軸對稱模型

采用ANSYS的熱單元plane77—結構單元plane82,分別建立堆容器上、中、下的軸對稱三維元模型,用來計算軸對稱條件下不同工況的各時間點的溫度場、熱應力。

軸對稱模型的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軸對稱模型如圖3(1),中部的ANSYS軸對稱模型如圖3(2);下部的ANSYS軸對稱模型如圖3(3),

在ANSYS的LOAD中對三個部分的軸對稱模型輸入環(huán)境溫度、對流換熱系數(shù)和釋熱率。

3.2錐頂蓋三維元模型

根據(jù)ANSYS完成結構對稱性的特點,建立錐頂蓋二分之一結構的ANSYS三維實體元模型一如圖4(1)。為了更準確計算各接管的熱應力,建立接管區(qū)域的ANSYS三維模型二如圖4(2),細化網(wǎng)格計算。同時,建立導管區(qū)的三維模型如圖4(3),利用ANSYS的子模型讀入功能(ANSYS的這項功能有著很大的作用),根據(jù)模型一的計算結果,模型二、三的邊界條件直接從模型一的計算結果讀取。

3.3裙座模型

為了計算裙座在溫度載荷作用下的應力,利用ANSYS的熱單元solid90-結構單元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,溫度場計算時裙座的表面溫度分布從軸對稱模型溫度場的計算結果中讀取。

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