csmirt20060應(yīng)用物理壓力容器頂蓋接管過盈配合的有限元分析與實驗研究v21試驗及方法

稿件編號：CSMIRT20-1，1,2，1，1，張1，1（1.中 應(yīng)用物理， 中國大學，：釷基熔鹽堆仿真實驗平臺(TMSR-S0)壓力容器上的多種儀控和設(shè)備接管是通過過盈配合及焊接的方式安裝在頂蓋上的。頂蓋的設(shè)計溫度為350oC，頂蓋及接管要在此溫度下長期工作。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對不同過盈量的接管結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力分析和評定，并計算了各個過盈量下接管結(jié)構(gòu)的軸向最大承載能力，同時設(shè)計實驗，對結(jié)構(gòu)在常溫下和350oC下的軸向承載能力進行了實測，與計算結(jié)果進了比對和校核。分析和實驗結(jié)果表TMSR-S0壓力容器的頂蓋接管結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足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；過盈配合；壓力容器頂引釷基熔鹽堆仿真實驗平臺(TMSR-SF0)是中國先導(dǎo)專項-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)試和運行將為釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)提供大量有價值的工程經(jīng)驗和運行數(shù)據(jù)，并為正在實施中的釷基熔鹽液態(tài)堆（TMSR-L1）提供必要的工程參考和驗證實例。主容器是TMSR-SF0裝置的部件，其1。主容器頂部的平頂蓋上開120mm34mm。這種連接方式除了提供基本的接管導(dǎo)向和對350oC的設(shè)計溫度200kg的設(shè)備重量。文選取外徑34mm，設(shè)計過盈量為0.02/0.04mm的接管，首先采用彈塑性力學方

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的材料屬性見表1。頂蓋及接管的設(shè)計溫度為350oC。本節(jié)將分別用彈塑性力學方法和有限元法方法對基金項目：中 先導(dǎo)專項：釷基熔鹽堆核能系統(tǒng) 作者簡介：(1986-)，男，壯族，廣西武鳴人，工程師，，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)力學分析與實驗研究。E-mail:huacha 1觸問題，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頂蓋接管過盈連接結(jié)構(gòu)進行建模分析考慮到接管為中心對稱，因此建模時取304LN（材料參數(shù)見表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，節(jié)

溫 1/4接觸 力

力KN過盈量根據(jù)設(shè)計值，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)置對稱邊界條件，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比與討論4所示。從表中可知，接管的5%以內(nèi)，說明兩種方法的計算結(jié)果是可靠350oC的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在高溫下，材料的彈性195MPa降至過盈量

4最大承載能力溫度頂蓋接管極限承載能力的實驗驗證為進一步驗證頂蓋接管過盈連接結(jié)構(gòu)最

和接管的實際結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文設(shè)計并執(zhí)行了TMSR-SF0頂蓋接管極限承載能力實驗實驗設(shè)備與方案試驗機對頂蓋接管試件進行室溫/350oC環(huán)境下的軸向加載測試，測得試件在室溫/350oC環(huán)境萬能材料試驗機為Insron-1000HDX，所能施加的最大載荷為1000KN。該試驗機經(jīng)檢定，且在計量有效期內(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

驗設(shè)5所示。實驗共準備了4組試件，試件的外形尺具體參數(shù)和實驗分組情況見表5。

徑徑* 6

350oC溫度后，使用試驗機進行加載測試，并測得試件的力-位移曲線。實驗原理圖見圖7。室實驗結(jié)果實驗測得的4組試件的力-位移曲線如圖12加壓工裝345試驗機底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-錯動下跌”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題，局部圓度較差導(dǎo)致其在加載過程中無法形成較為穩(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，使得實驗試件的尺寸與設(shè)計尺寸之間存在一定的偏差，為比較計算結(jié)果與實驗結(jié)果，基于實際的試件尺寸采用理論方法重新計算了試件的最大承

載能力，并將其與實測值進行比對，如表66可知，實驗測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算數(shù)值而言，雖然考慮了試件尺寸變化因素，室溫的實驗結(jié)果卻規(guī)整的稍高于理論解的上限，而350℃的實驗結(jié)果(1)-(5)可知，δ、d、E1、μ1、d1、E2、μ2、d2、l、η這幾[3]進行取值的，其余參數(shù)均已按實際試件尺寸進行了修正。由此可推斷，實測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、潤滑、溫

面狀態(tài)、安裝方式和實驗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測/理論值偏差的主要影響因素是溫度。根據(jù)參考文獻[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，而高溫組的計算中摩擦系數(shù)可能/理論(1)計算得到的接觸壓力p是準確的，則可利用式(4)計算得到實驗條件下接管-頂蓋這一對304LN摩擦副的摩擦系數(shù)：室溫時約為018，而溫度升至350oC時，摩擦系數(shù)降為0126。綜上可知，本次接管極限承載實驗較驗結(jié)果共同證明TMSR-SF0頂蓋接管的過盈連接結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計要求，具有較強的承載能力和承載裕量。結(jié)本文通過理論、有限元和實驗方法證明了TMSR-SF0頂蓋接管的過盈連接結(jié)構(gòu)具有較強的承載能力和承載裕量，滿足設(shè)計要求，具體結(jié)論如下：不低于45KN的軸向載荷，遠大于其實際的參考文獻：江,徐洪杰,戴志敏.未來先進核裂變——TMSR核能系統(tǒng).中國院[J],2012,

徐秉業(yè),劉信聲.應(yīng)用彈塑性力學[M].大學,1995.:中國化管理.GB/T5371-2004極限與配合-過盈配合的計算和選用[S].:中國標準,2005.:李凱,祝寶山,王宏.高溫氣冷堆主氦風機葉輪過盈配合有限元分析[J].核動力工程,2014,熊光明.控制棒驅(qū)動機構(gòu)過盈配合有限元分析,,張杰,韓傳軍.軸向載荷下空心軸的過盈連接力學特性[J].大學學報工程科學版,2013,劉寶慶.過盈聯(lián)接摩擦系數(shù)的理論及試驗研究大連理工大學A.Pauschitz,MansihRoy,F.Fr