堆内构件吊篮定位板非线性分析技术研究

朱 焜 陈惠亮 于 浩

（上海核工程研究设计院 上海200233）

堆内构件吊篮定位板非线性分析技术研究

朱 焜 陈惠亮 于 浩

（上海核工程研究设计院 上海200233）

在反应堆设备系统分析时如何准确模拟其中的非连续结构一直是个难点。为了研究和准确模拟堆内构件吊篮定位板的非线性特性，通过ANSYS软件建立吊篮、堆芯围筒和吊篮定位板接口的有限元模型，研究吊篮定位板的非线性分析技术，得到吊篮定位板的弹塑性变形特性，并为反应堆设备系统模型提供输入。文中使用的方法对于非连续结构接触变形问题的非线性分析具有一定的借鉴意义。

吊篮定位板，非连续结构，非线性接触分析，ANSYS

反应堆系统中存在多处非连续结构，例如上部堆芯支承板法兰-压紧弹性环-吊篮法兰接口、吊篮-吊篮定位板-堆芯围筒接口、堆芯支承下板-径向支承键-堆芯支承块接口等，这些结构在反应堆运行时往往伴随着间隙、接触以及弹塑性变形问题，在反应堆系统整体分析时如何准确模拟这些结构特性是个难点。

吊篮定位板位于堆芯上板、堆芯围筒顶板和吊篮筒体之间，起定位及限制堆芯围筒上部运动的作用。以吊篮-吊篮定位板-堆芯围筒接口为例，通过有限元软件ANSYS建立三维模型，在考虑接口间隙和弹塑性接触的基础上，分析吊篮定位板接口的非线性变形特性，得到接口的等效刚度，并估计吊篮定位板的失效载荷，计算结果可作为反应堆系统分析模型的输入。

1 结构模型和材料参数

1.1结构模型

吊篮定位板是堆芯上板、堆芯围筒与吊篮筒体的接口，4个定位板与压力容器4个进口接管角度一致，与围筒顶板在径向和环向上均有一定尺寸的间隙，如图1(a)和图1(b)所示。

有限元建模和分析软件采用ANSYS，由于是对称结构，建模时只模拟1/4吊篮筒体、1/4围筒、1个吊篮定位板和相应的堆芯围筒顶板镶块及销钉。本文重点分析定位板的弹塑性变形特性，因此不需要对吊篮进行全部建模，模型中吊篮筒体保守地相对定位板上下各取1270 mm，并且对吊篮筒体边界作全约束。为了便于施加位移载荷，在围筒中心定位板中点所在平面上建立1个节点（节点1），与堆芯围筒的边界刚性连接，如图1(c)所示。实体模型采用SOLID45单元，建模时考虑定位板与镶块之间的径向和环向间隙，当堆芯围筒发生径向或环向运动时，堆芯围筒顶板、镶块、销钉及定位板之间发生接触，因此在接触区域各个面上采用3-D接触单元CONTA173和目标单元TARGE170，见图1(d)和图1(e)。整个模型共包含61100个SOLID45单元、5456个CONTA173单元、8997个TARGE170单元、1个MASS21单元和82119个节点。

1.2材料参数

随着载荷增加，结构局部先后由弹性变形进入到塑性变形阶段。因此，建模时需要考虑材料的弹塑性性能，见表1[1]。

2 分析方法

2.1环向运动

通过节点1逐步对堆芯围筒施加环向位移，分析定位板所受反力与镶块位移的变化特性。堆芯围筒的环向位移和相应反作用力曲线见图2，其中定位板的反作用力通过节点1的力矩除以节点1到镶块中点的水平距离得到，镶块位移通过节点1的环向位移乘以节点1到镶块中点的水平距离得到。

图1 (a) 吊篮定位板；(b) 堆芯围筒与定位板之间的间隙(mm)；(c) 有限元模型；(d) 模型中的接触面；(e) 模型中的目标面Fig.1 (a) Alignment plate; (b) Gaps between core shroud and alignment plate; (c) Finite element model; (d) Contact areas of FEM; (e) Target areas of FEM.

表1 设计温度343.3 ºC下材料的力学性能Table 1 Material properties at design temperature 343.3 ºC.

图2 堆芯围筒环向运动时的力-位移曲线Fig.2 Force-displacement for tangential movement.

由图2可见，堆芯围筒与吊篮定位板发生接触之后力-位移曲线呈近似双线性特点，与材料应力-应变曲线类似，吊篮定位板接口的变形过程基本可分为3个阶段：

(1) 间隙阶段。在围筒镶块位移达到0.15 mm前，吊篮定位板与镶块未发生接触，因此反作用力为0。

(2) 近似弹性变形阶段。当镶块位移超过0.15mm时，定位板与镶块发生接触，反作用力上升，镶块位移在0.15–2.00 mm阶段，定位板的反作用力与镶块位移的关系近似线性关系，计算直线的斜率即为围筒环向运动时吊篮-定位板-围筒接口的等效弹性刚度Kec，需要注意的是在这个阶段，并非所有结构都处于弹性变形状态，局部结构可能已进入塑性变形状态。

(3) 近似塑性变形阶段。镶块位移在2.5–6 mm阶段，定位板的反作用力与镶块位移的关系近似线性关系，同样可以通过计算直线斜率得到接口的等效塑性刚度Kpc，并且在这个阶段也并非所有结构都进入塑性变形状态。

当围筒环向位移超过6 mm时曲线趋于平缓，随着位移增大，反作用力增加的幅度有限，因此保守地将分析的最后一个时间点的反作用力取为结构的失效载荷，即Fu=6.604 mm=1281399 N。

2.2径向运动

通过类似方法可以得到堆芯围筒发生径向运动时定位板反作用力与围筒镶块位移的关系曲线，见图3。

图3 堆芯围筒径向运动时力-位移曲线Fig.3 Force-displacement for radial movement.

由图3可见，堆芯围筒发生径向运动时，吊篮定位板接口的变形过程也可分为3个阶段：

(1) 间隙阶段。在镶块位移达到2.22 mm前，吊篮定位板与围筒的径向镶块未发生接触，因此反作用力为0。

(2) 近似弹性变形阶段。当围筒位移超过了2.22mm时，定位板与镶块发生接触，反作用力上升，镶块位移在2.22–5.07 mm阶段，定位板的反作用力与镶块位移的关系近似线性关系，计算直线的斜率即为围筒环向运动时吊篮-定位板-围筒接口的等效弹性刚度Ker，同样在这个阶段，并非所有结构都处于弹性变形状态，局部结构可能已进入塑性变形状态。

(3) 围筒顶板与吊篮筒体接触阶段。当围筒位移超过5.07 mm时，围筒顶板与吊篮筒体直接发生接触，因此反作用力迅速上升。

在达到失效载荷前，围筒顶板与吊篮发生接触，因此无法估计围筒径向运动时结构的失效载荷。

3 结论

本文通过有限元软件ANSYS建立吊篮-定位板-堆芯围筒接口的三维模型，在考虑接口间隙和弹塑性接触的基础上，分析吊篮定位板接口的非线性变形特性，得出以下结论：

(1) 在吊篮定位板接口模型中采用接触单元模拟相邻结构之间可能发生的碰撞，并且在模型中采用等效方式来简化加载方法和响应提取，对于类似问题的解决提供了较为简便和通用的方法。

(2) 通过分析发现，在堆芯围筒发生环向和径向运动与吊篮定位板发生接触之后力-位移曲线均呈近似双线性特点，由此获得的吊篮定位板接口在发生径向和环向运动时整体结构的等效刚度可用于反应堆系统整理模型。

(3) 通过ANSYS软件处理间隙的非线性问题能够较为方便的得到结果，但是分析结果的精确性仍需要依靠接触理论和计算机技术的发展。

1 ASME第II卷材料. D篇性能[S], 1998版2000补遗, ASME出版社ASME Section II Materials, Part D Properties[S]. Revision 1998, with 2000 Addenda, ASME Publish

Study on non-linear analysis technology of reactor internals core barrel alignment plate

ZHU Kun CHEN Huiliang YU Hao
(Shanghai Nuclear Engineer Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: It is difficult to accurately simulate the non-continuous structure in reactor equipment system. Purpose: In order to investigate and simulate the non-linear characteristic of core barrel alignment plate. Methods: In this paper, a finite element model of core barrel alignment plate interface is established to investigate the non-linear analysis technology. Results: The elastoplastic deformation characters, which are obtained using finite element analysis by ANSYS software, are prepared as inputs for reactor equipment system model. Conclusions: The method used in this paper has certain referential significance for simulating the contact between non-continuous structures.

Core barrel alignment plate, Non-continuous structure, Non-linear contact analysis, ANSYS

TL351.1，TL371，TP319

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040646

朱焜，男，1984年出生，2009年毕业于上海交通大学，一般力学与力学基础专业，现就职于上海核工程研究设计院，工程师

2012-10-31，

2013-01-07

CLC TL351.1, TL371, TP319