csmirt20060應(yīng)用物理壓力容器頂蓋接管過(guò)盈配合的有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究v21試驗(yàn)及方法

稿件編號(hào)：CSMIRT20-1，1,2，1，1，張1，1（1.中 應(yīng)用物理， 中國(guó)大學(xué)，：釷基熔鹽堆仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(TMSR-S0)壓力容器上的多種儀控和設(shè)備接管是通過(guò)過(guò)盈配合及焊接的方式安裝在頂蓋上的。頂蓋的設(shè)計(jì)溫度為350oC，頂蓋及接管要在此溫度下長(zhǎng)期工作。為確保接管結(jié)構(gòu)的安全性和連接的可靠性，本文利用Anysorkbench對(duì)不同過(guò)盈量的接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析和評(píng)定，并計(jì)算了各個(gè)過(guò)盈量下接管結(jié)構(gòu)的軸向最大承載能力，同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)在常溫下和350oC下的軸向承載能力進(jìn)行了實(shí)測(cè)，與計(jì)算結(jié)果進(jìn)了比對(duì)和校核。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表TMSR-S0壓力容器的頂蓋接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足ASME規(guī)范的安全限值要求，且具有足夠的軸向承載能力。：釷基熔鹽堆；過(guò)盈配合；壓力容器頂引釷基熔鹽堆仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(TMSR-SF0)是中國(guó)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)-釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)[1]的重要成果之一。TMSR-SF0裝置的安裝、調(diào)試和運(yùn)行將為釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)提供大量有價(jià)值的工程經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，并為正在實(shí)施中的釷基熔鹽液態(tài)堆（TMSR-L1）提供必要的工程參考和驗(yàn)證實(shí)例。主容器是TMSR-SF0裝置的部件，其1。主容器頂部的平頂蓋上開(kāi)120mm34mm。這種連接方式除了提供基本的接管導(dǎo)向和對(duì)350oC的設(shè)計(jì)溫度200kg的設(shè)備重量。文選取外徑34mm，設(shè)計(jì)過(guò)盈量為0.02/0.04mm的接管，首先采用彈塑性力學(xué)方

AnsysWorkbench軟件，采用有限元方法34mm350oC下的最圖1TMSR-SF0主容器及頂蓋結(jié)構(gòu)示頂蓋接管極限承載能力分析TMSR-SF0的壓力容器頂蓋和頂蓋接管均304LN不銹鋼制成，304LN的材料屬性見(jiàn)表1。頂蓋及接管的設(shè)計(jì)溫度為350oC。本節(jié)將分別用彈塑性力學(xué)方法和有限元法方法對(duì)基金項(xiàng)目：中 先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)：釷基熔鹽堆核能系統(tǒng) 作者簡(jiǎn)介：(1986-)，男，壯族，廣西武鳴人，工程師，，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)研究。E-mail:huacha 1觸問(wèn)題，具有非常顯著的非線性[4][5][6]。本節(jié) 于ANSYSWorkbench軟件，采用拉格朗日算法對(duì)頂蓋接管過(guò)盈連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析考慮到接管為中心對(duì)稱(chēng)，因此建模時(shí)取304LN（材料參數(shù)見(jiàn)表1。有限元模型如圖34接管-33接管結(jié)構(gòu)的有限元模型和載荷與邊有限元模型的單元數(shù)量為336.56萬(wàn)，節(jié)

溫 1/4接觸 力

力KN過(guò)盈量根據(jù)設(shè)計(jì)值，分別取0.02mm和0.04mm。由于選取1/4模型1/4

模型的截取面上設(shè)置對(duì)稱(chēng)邊界條件，在頂蓋模型的底部設(shè)置位移約束，Z向（即接管軸向）位移約束為零，X/Y向（即接管徑向）設(shè)為自由。41/4垂直，與X/Y軸（即接管徑向）的夾角均為管的軸向最大承載能力，如表3所示：

1.3理論方法與有限元方法的對(duì)比與討論4所示。從表中可知，接管的5%以內(nèi)，說(shuō)明兩種方法的計(jì)算結(jié)果是可靠350oC的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在高溫下，材料的彈性195MPa降至過(guò)盈量

4最大承載能力溫度頂蓋接管極限承載能力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為進(jìn)一步驗(yàn)證頂蓋接管過(guò)盈連接結(jié)構(gòu)最

和接管的實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)并執(zhí)行了TMSR-SF0頂蓋接管極限承載能力實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案試驗(yàn)機(jī)對(duì)頂蓋接管試件進(jìn)行室溫/350oC環(huán)境下的軸向加載測(cè)試，測(cè)得試件在室溫/350oC環(huán)境萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)為Insron-1000HDX，所能施加的最大載荷為1000KN。該試驗(yàn)機(jī)經(jīng)檢定，且在計(jì)量有效期內(nèi)。高溫箱及溫控柜是定制品，其內(nèi)部溫度可升至500oC，高溫箱的箱

驗(yàn)設(shè)5所示。實(shí)驗(yàn)共準(zhǔn)備了4組試件，試件的外形尺具體參數(shù)和實(shí)驗(yàn)分組情況見(jiàn)表5。

徑徑* 6

350oC溫度后，使用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載測(cè)試，并測(cè)得試件的力-位移曲線。實(shí)驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖7。室實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)測(cè)得的4組試件的力-位移曲線如圖12加壓工裝345試驗(yàn)機(jī)底12345加熱6722468 cement/8接管試件力-（MaxLoad均大于45KND34-20-2#最大，為1418KN，D34-C20-1#次之，為104.9KN，而兩組高溫試件的最大承載能力較之室溫試件有較大程度的下降，D34-C350-2#的最大承載能力為87.5KND34-C350-1#僅為47.9KN

D34-C20-1#、D34-C20-2#和D34-C350-1#這摩擦，而是不斷的重復(fù)“加載-錯(cuò)動(dòng)下跌”循環(huán)，其加載曲線由此呈現(xiàn)為不規(guī)則的鋸齒狀。D34-C350-2#的方鋸齒曲線可能是由于試件加工精度問(wèn)題，局部圓度較差導(dǎo)致其在加載過(guò)程中無(wú)法形成較為穩(wěn)定的摩擦副所致。分析與討論由于試件加工精度所導(dǎo)致偏差，使得實(shí)驗(yàn)試件的尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間存在一定的偏差，為比較計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于實(shí)際的試件尺寸采用理論方法重新計(jì)算了試件的最大承

載能力，并將其與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，如表66可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大承載能力數(shù)能力D34-C20-1#的承載能力的比值為0.033/0.023=1.352；D34-C350-2#6 拔出力/KN(摩擦系 取 但就具體的承載力計(jì)算數(shù)值而言，雖然考慮了試件尺寸變化因素，室溫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻規(guī)整的稍高于理論解的上限，而350℃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)-(5)可知，δ、d、E1、μ1、d1、E2、μ2、d2、l、η這幾[3]進(jìn)行取值的，其余參數(shù)均已按實(shí)際試件尺寸進(jìn)行了修正。由此可推斷，實(shí)測(cè)最大承載能力與理論解的偏差是由于摩擦系數(shù)的取值確造成的。摩擦的影響因素非常復(fù)雜，材料、潤(rùn)滑、溫

面狀態(tài)、安裝方式和實(shí)驗(yàn)條件等因素均一致因此室溫（25oC/高溫組（350oC兩大組試件各自的實(shí)測(cè)/理論值偏差的主要影響因素是溫度。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8][9]的研究，鋼-鋼摩擦副的摩擦系數(shù)一般隨溫度的升高而下降，亦即在表6數(shù)取得偏小，而高溫組的計(jì)算中摩擦系數(shù)可能/理論(1)計(jì)算得到的接觸壓力p是準(zhǔn)確的，則可利用式(4)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)條件下接管-頂蓋這一對(duì)304LN摩擦副的摩擦系數(shù)：室溫時(shí)約為018，而溫度升至350oC時(shí)，摩擦系數(shù)降為0126。綜上可知，本次接管極限承載實(shí)驗(yàn)較驗(yàn)結(jié)果共同證明TMSR-SF0頂蓋接管的過(guò)盈連接結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，具有較強(qiáng)的承載能力和承載裕量。結(jié)本文通過(guò)理論、有限元和實(shí)驗(yàn)方法證明了TMSR-SF0頂蓋接管的過(guò)盈連接結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的承載能力和承載裕量，滿足設(shè)計(jì)要求，具體結(jié)論如下：不低于45KN的軸向載荷，遠(yuǎn)大于其實(shí)際的參考文獻(xiàn)：江,徐洪杰,戴志敏.未來(lái)先進(jìn)核裂變——TMSR核能系統(tǒng).中國(guó)院[J],2012,

徐秉業(yè),劉信聲.應(yīng)用彈塑性力學(xué)[M].大學(xué),1995.:中國(guó)化管理.GB/T5371-2004極限與配合-過(guò)盈配合的計(jì)算和選用[S].:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn),2005.:李凱,祝寶山,王宏.高溫氣冷堆主氦風(fēng)機(jī)葉輪過(guò)盈配合有限元分析[J].核動(dòng)力工程,2014,熊光明.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)過(guò)盈配合有限元分析,,張杰,韓傳軍.軸向載荷下空心軸的過(guò)盈連接力學(xué)特性[J].大學(xué)學(xué)報(bào)工程科學(xué)版,2013,劉寶慶.過(guò)盈聯(lián)接摩擦系數(shù)的理論及試驗(yàn)研究大連理工大學(xué)A.Pauschitz,MansihRoy,F.Fr