Опыт моделирования поведения элементов конструкции твэлов с применением программного средства MSC.MARC 2007 R1

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Компьютерные технологии корпорации MSC Softwаre, предназначенные для виртуальной разработки конструкций, являются лидирующими на рынке лицензионных программных средств моделирования, поэтому освоение этих технологий, в частности моделирования поведения элементов конструкции твэлов, с применением программного лицензионного средства MSC.MARC (лицензия № ЕС 9068) имеет большое практическое значение.

Отличительной особенностью программного средства MSC.MARC 2007 является возможность решения связанных (fully coupled) высоконелинейных задач, исследующих термомеханическое поведение конструкции с учетом автоматического контактного взаимодействия неограниченного числа тел с изменяющимися свойствами без каких-либо упрощений геометрических форм. При этом MSC.MARC имеет очень удобный и простой интерфейс, а при моделировании мультиконтактного взаимодействия в отличие от других САЕ-систем, MARC не требует наличия специальных “интерфейсных“ или “промежуточных“ элементов между контактирующими телами или поверхностями. Огромные возможности программы, при знании МКЭ позволяет обученному пользователю решить практически все требующиеся при проектировании задачи.

Авторами представлен опыт отработки технологии инженерного анализа узлов твэлов ВВЭР для некоторых режимов эксплуатации реактора, необходимый при техническом проектировании. Показана принципиальная возможность и приведены примеры моделирования в среде программного средства MSC MARC 2007. следующих задач

-моделирование температурных полей в трехмерной постановке (3D);

-простого силового нагружения гермоузла в 3D постановке;

-термомеханического мультиконтактного взаимодействия таблеток топлива с гермоузлом при нестационарных режимах работы (режим пуска, всплеск энерговыдениея, Loca ,RIA) в 2D и 3D постановках;

-исследование влияния расстресканных фрагментов топлива на НДС в 2D постановке;

-развития овальности оболочки под наружным давлением за счет ползучести в 2D и 3D постановках;

-исследование мгновенного схлопывания оболочки в 3D постановке;

-исследование технологического режима прессования таблетки топлива при изготовлении в 3D постановке;

-исследование поведения фиксирующей и компенсирующей частей фиксатора.

Все представленные ниже виртуальные образы участков конструкций твэлов моделировались с применением опций препроцессора MSC. Mentat Marc. в 2-3D координатах или специальной встроенной программы PYTHON v 2.5.Результаты выводились с применением постпроцессора MSC. Mentat Marc

Моделирование температурных полей нижнего гермоузла.

На рисунках 1-4 представлены результаты моделирования температурных полей в конструкции нижнего гермоузла твэла ВВЭР при линейной мощности 175 Вт/см. и температурных зависимостях свойств из [1]. Рассматривается случай выпадения крошки топлива в район сварочного грата и ее влияние на температурное поле. Расчеты показывают, что максимальная температура топлива и шляпки нижнего гермоузла не превышает 863 и 554 С ,соответственно а выпадение крошки увеличивает температуру оболочки не более чем на 5 С.

Моделирование н.д.с. нижнего гермоузла при простом силовом нагружении.

Рассматривается случай нагружения гермоузла осевым давлением величиной 60 МПа. Свойства материала для расчета принимались из [1]. Моделирование проводится в упругой постановке, но также возможно учитывать пластичность и анизотропию пластичности по Хиллу. Пример результатов моделирования представлен на рисунке 5. Как показывают расчеты максимальное значение осевых напряжений в пригратной зоне сварного узла около 100 МПа.

Моделирование термомеханического мультиконтактного взаимодействия таблеток топлива с термоузлом при нестационарных режимах работы.

С применением программного средства MSC.MARC 2007 может быть смоделировано поведение локальный участков конструкции при всех проектных нестационарных режимах работы, таких, как режим пуска, режим всплеска энерговыделения и режимы Loca и RIA . В качестве примера, как наиболее часто востребованного рассматривается моделирование режима всплеска энерговыделения локального участка нижнего гермоузла твэла с тремя таблетками, виртульная модель которого представлена на рисунке 6. Моделирование мультиконтактного взаимодействия проводится с учетом изотропной ползучести и пластичности материалов, температурной зависимости материалов, изменения плотности энерговыделения и граничных условий от времени при заклинивании третьей от заглушки таблетки и свойств материалов из работы [1]. Моделируется подъем мощности с 180 вт/см на 20% за время 20 секунд со значениями коэффициента теплопередачи зазора топливо-оболочка взятыми из интегрального кода Старт. Используется следующая методика. Сначала с применением опции Themal проводится расчет температурного поля в нижнем гермоузле. Затем строится новый набор данных уже для прочностного расчета на том же виртуальном образе и с применением опций Coupled, Contact и Pre State (для учета полученных значений температур) решается нестационарная связанная термомеханическая мультиконтактная задача для исследования самого режима всплеска энерговыделения. На рисунках 7 - 9 представлены результаты моделирования, из которых видно, что значения температур и напряжений не превышают критических для материала оболочки значений. Кроме того, рассматривались окружные напряжения в месте стыка таблеток топлива, значения которых показаны на рисунке 10. Видно, что в этом режиме значения окружных напряжений в месте стыка таблеток могут увеличиться на 10 Мпа.

Учет влияния растрескивания фрагментов топлива на н.д.с. оболочки

В процессе работы возможно растрескивание топлива в различных направлениях с образованием трещин, что нарушает целостность таблетки и может повлиять на распределение н.д.с в оболочке топлива. Для оценки влияния растрескивания применяется представленная выше методика, но для случая плоско-напряженного деформирования. Из возможных конфигураций растрескивания таблетки, представленных на рисунке 11 рассматриваются два крайних случая с одной радиальной трещиной (рисунок 12), как правило наиболее сильно влияющая на н.д.с. оболочки и с произвольно расстресканным топливом.

Из рисунков 12-14 видно, что радиальная трещина при рассматриваемом режиме всплеска энерговыделения может увеличить окружные напряжения на 20МПа ,а. большое количество трещин существенно снижает нагрузку на оболочку.

Моделирование развития овальности оболочки с учетом ползучести.

Задача возникает при расчете оболочек с начальными отклонениями от номинальных размеров. При нагружении таких оболочек наружным давлением, овальность прогрессирует и может привести к недопустимому для дальнейшей эксплуатации изменению формы. На MSC MARC моделируется развитие овальности разностенной оболочки с начальным овалом (Dmax - Dmin) внутренней поверхности 33 мкм при отсутствии овальности наружной поверхности с законом ползучести сплава 110 [1] за время 400000 часов при наружном давлении 12 МПа. Используются опции Mechanical и Creep без учета анизотропии материала оболочки. Задача может решается в 2D геометрии (задача плоской деформации) и в 3D геометрии. Начальный овал легко вводится средствами MSC.Marc Mentat для любых конфигураций сечения оболочки. Результаты расчета окружных напряжений и развития овальности трубы представлены на рисунке 15 и 16.

Примеры моделирования элементов конструкции твэлов с применением опций для динамических задач.

Моделирование поведения компенсирующей части фиксатора твэла.

В твэлах ВВЭР используется пружинный фиксатор топливного столба с компенсирующей и фиксирующей группой витков . Компенсирующая группа витков является основным рабочим элементом фиксатора. Она должна обеспечивать необходимое усилие поджатия топлива, что гарантировало бы топливный столб от разуплотнения в процессе всех технологических операций, включая транспортировку, загрузку в реактор и процесс эксплуатации. Фиксирующая группа витков должна обеспечивать гарантированное заклинивание фиксатора в оболочке с тем, чтобы избежать перемещения фиксатора в оболочке при технологических операциях, транспортировке, загрузке в реактор и в процессе эксплуатации. Расчет НДС витков компенсирующей части фиксатора и усилия поджатия топливного столба проводился в два этапа нагружения. Загрузка фиксатора в твэл с суммарнным поджатием 22 мм с последующим за 3 часа увеличением поджатия до 42 мм. Последующее увеличение величины поджатия до 67 мм за 25000 часов с учетом ползучести материала фиксатора по закону[1]. На верхнем торце фиксатора узлам сетки ограничивались все перемещения, а также повороты относительно оси Х (UX=0,UY=0,UZ=0, ROTX=0). На нижнем торце фиксатора узлам сетки запрещались перемещения в горизонтальной плоскости и повороты в продольном направлении (UX=0,UY=0, ROTX=0). Осевое перемещение UZ задавалось в соответствии с текущем значением поджатия витка: UZ=-dl/nk, где dl текущее поджатие пружины; nk число витков. На рисунке 17,18 в глобальных цилиндрических координатах представлено распределение касательных напряжений. Видно, что за 25000 часов максимальные касательные напряжения уменьшаются в 3 раза. При этом Reaction Force Z, соответствующая усилию поджатия, увеличивается до значения 30 Н и затем медленно уменьшается до 15 Н.

Моделирование технологического процесса установки фиксирующей части фиксатора в оболочку.

Опыт моделирования поведения процесса установки фиксатора и последующего его поведения в процессе эксплуатации показывает, что возможно моделирование близкое к технологическому процессу(см рис.19 ),но это пока очень ресурсоемкая задача. Поэтому к настоящему времени сложилась следующая упрощенная методика установки фиксатора в оболочку, соответсвующая возможностям ,имеющейся на предприятии вычислительной техники. Используется опция DYNAMIC TRAMSIENT с 3D-solid эелементами типа 7. Применяются также опции учитывающие физические и геометрические нелинейности фиксатора и оболочки. Для контактного взаимодействия используется опция CONTACT. Результаты предыдущего шага перeдаются в последующий с применением опции PREVIOS ANALYSIS STATE. Процесс моделирования делится на несколько этапов (шагов) последовательно вытекающих один из другого для виртуального образа представленного на рисунке 20-22 .

Этап 1. Растягивание фиксирующей части фиксатора для уменьшения ее диаметра на величину натяга фиксирующая часть-оболочка.

Этап 2 . Насаживание оболочки на растянутый фиксатор с заданием ей начальной скорости, зависящей от натяга, коэффициента трения и длинны фиксатора и оболочки.

Этап 3. Освобождение верхней и нижней частей фиксатора с последующей его самоустановкой за счет сил упругости до достижения определенного равновесия с силами трения оболочки с фиксатором.

Этап 4. Нагружение витков компенсирующей части осевым перемещением, соответствующим величине поджатия при установке для проверки работоспособности фиксирующей части (отсутствие сдвига всех или части витков фиксирующей части).

Для верификации принятой методики на MSC.MARC моделировалась установка фиксаторов опытного твэла по результатам установки которых имеются ренгенографические исследования. На рисунках 23-24 в масштабе 1:1 представлено сравнение установочных размеров полученных при моделировании с рентгенограммой части оболочки твэла с установленным фиксатором. Из рисунка видно хорошее совпадение величины установочного шага фиксирующей части фиксатора с результатами моделирования. Для примера на рисунке 25 представлены значения окружных напряжений в оболочке опытного твэла после установки фиксатора. Значения окружных напряжений в оболочки не превышают 110 МПа.Распределение касательных напряжений в витках фиксатора после его установки показано на рисунке 26 и ниже допустимого значения.Таким образом, из сравнения результатов испытаний и результатов моделирования следует, что предложенная методика с упрощенной схемой тех.процесса может быть предложена для оценки напряженно-деформированного состояния оболочки и фиксирующей части фиксатора при установке его в оболочку.

Моделирование технологического процесса прессования таблетки топлива.

Моделирование проводится для оценки распределения относительной плотности таблетки топлива и напряженно-деформированного состояния в процессе прессования, что позволит оптимизировать геометрическую конфигурацию таблеток (наклон фасок, глубину лунок и др.) и сам технологический процесс прессования. Рассматривается отличающийся от реального упрощенный вариант одностороннего прессования таблетки с учетом трения лишь для демонстрации возможностей работы опции Mаterial-powder. Для моделирования процесса прессования используются элементы типа Solid (тип 7), rigid -поверхности и применяются опции Mаterial-powder, Mechanica и Соntact - rigid-velocity. Свойства материалов взяты из [1]. Виртуальный образ установочной модели с расположением прессующего штока, таблетки топлива с дыркой и фасками и фиксирующего стакана представлен на рисунке 27. На рисунке 28 представлены результаты моделирования распределения относительной плотности, из которых видно, что в процессе прессования относительная плотность таблетки изменяется с начальной величины 0.7 до 0.98 в районе фаски.

Моделирование потери устойчивости оболочки (схлопывания).

В составе технического проектирования часто необходимо проводить прочностные расчеты твэла на анализ устойчивости оболочки, нагруженной наружным давлением с учетом ее возможного схлопывания. На MSC MARC возможно моделирование потери устойчивости оболочки с применением опции Buckle .Для примера рассматривается участок оболочки без начальной овальности при наружном давлении 12 МПа с жестким закреплением по торцам. Пример расчета окружных напряжений (с увеличенной формой деформирования ) для статической формы равновесия и для последней формы потери устойчивости оболочки приведен на рисунке 29,30.

Опыт моделирования на программном средстве MSC MARC 2007R1 показывает, что возможно исследование практически всех режимов и локальных участков требующихся при техническом проектировании.

Литература

1. Ю.К. Бибилашвили Свойства материала оболочек и топливных таблеток твэлов реактора ВВЭР,отчет ВНИИНМ № 312-0-001 1983г.

2. Ю.К. Бибилашвили Разработка конструкции и исследования работоспособности пружинного фиксатора из дисперсионнотвердеющей стали для твэлов РБМК отчет ВНИИНМ и НИКИЭТ инв № 5800.120 от 310.1.90.

программный высоконелинейный мультиконтактный термомеханический

Приложение

Рисунок 1. Виртуальная модель конструкции нижнего гермоузла твэла ВВЭР

Рисунок 2. Температурное распределение в конструкции нижнего гермоузла

Рисунок 3. Температурное поле в нижнем гермоузле с крошкой топлива

Рисунок 4. Температурное поле в части гермоузла с крошкой топлива между сварочным гратом и оболочкой

Рисунок 5. Распределение осевых напряжений в конструкции нижнего гермоузла твэла ВВЭР при осевом нагружении (60 МПа)

Рисунок 6. Виртуальный образ нижнего гермоузла твэла ВВЭР

Рисунок 7. Распределение температурных полей в нижнем гермоузле в конце всплеска

Рисунок 8. Распределение осевых напряжений в нижнем гермоузле в конце всплеска

Рисунок 9. Распределение окружных напряжений в нижнем гермоузле в конце всплеска

Рисунок 10. Распределение окружных напряжений в в месте стыка таблеток в конце всплеска

Рисунок 11. Возможные конфигурации растрескивания таблеток топлива

Рисунок 12. Окружные напряжения с одной радиальной трещиной в таблетке топлива

Рисунок 13. Температурные поля в твэле РБМК при произвольном расположении трещин в таблетке топлива

Рисунок 14. Окружные напряжения при произвольном расположении трещин в таблетке топлива

Рисунок 15. Распределение окружных напряжений овальной разностенной оболочки в конце 40000 час. работы под наружным давлением 12 МПА с учетом ползучести

Рисунок 16. Изменение овала (Dmax-Dmin) после деформирования овальной оболочки твэла наружным давлением 12 МПа в течении 40000 часов с учетом ползучести

Рисунок 17. Распределение касательных напряжений в компенсирующей части витков фиксатора после поднятия мощности

Рисунок 18. Распределение касательных напряжений в компенсирующей части витков фиксатора после 25000 часов работы

Рисунок 19. Моделирование установки фиксатора близкое к техпроцессу

Рисунок 20. Этапы 1-2 при моделировании упрощенной установки фиксирующей части

Рисунок 21. Этап 3 упрощенной установки фиксирующей части

Рисунок 22. Этап 4 упрощенной установки фиксирующей части

Рисунок 23. Установочные размеры опытного фиксатора по результатам расчета

Рисунок 24. Установочные размеры опытного фиксатора по результатам рентгенограммы из работы

Рисунок 25. Окружные напряжения в оболочке опытного твэла после установки фиксатора до установочной величины, МПа

Рисунок 26. Касательные напряжения в фиксаторе опытного твэла после установки фиксатора до установочной величины, МПа

Рисунок 27. Виртуальный образ техпроцесса прессования таблетки топлива

Рисунок 28. Результаты моделирования относительной плотности в конце прессования

Рисунок 29. Пример расчета окружных напряжений для статического равновесия оболочки твэла ВВЭР под наружным давлением 12МПа

Рисунок 30. Пример расчета окружных напряжений для последней формы потери устойчивости оболочки твэла ВВЭР под наружным давлением 12МПа

Размещено на Allbest.ru