CN102184289A - 核一级容器ansys应力分析方法 - Google Patents
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Abstract
核一级容器ANSYS应力分析方法，属于核一级容器分析设计方法技术领域，首先根据设计规格书进行常规设计后，给出设计图，在ANSYS中模拟设备建立几何模型及有限元模型，对所有核级部件进行分析计算，提取应力分析结果，按照ASME第Ⅲ卷，NB、NF分卷规范要求进行强度评定并给出详细的设计报告。本发明与现有技术相比总结并改进了应用ANSYS软件对核一级容器的的分析设计方法，比起解析法及试验法大大缩短了设计时间，减少了设计费用，极大的提高了分析效率，减少了分析成本，在分析中采用实体建模六面体单元，提高了计算精度。
Description
技术领域
本发明涉及核一级容器ANSYS应力分析方法，属于核一级容器分析设计方法技术领域。
背景技术
根据ASME 第Ⅲ卷,NB分卷要求，核一级设备不同于一般压力容器的按规则设计，必须进行分析设计。按规则设计所依据的失效准则是弹性失效准则，分析设计则考虑了塑性失效准则、弹塑性失效准则，并引入安全寿命的概念，对具有循环加载特征的部件进行疲劳分析，这种定量分析结果使结构趋于更合理。分析设计过程的核心是对部件做必要的应力分析，然后根据应力结果进行应力分类校核，根据校核结果再优化设计。对结构做应力分析基本上有三种方法：解析分析、实验分析、数值分析。解析分析方法需要在结构和结果精度之间寻求一个折衷，实际结构一般都比较复杂，要对其进行解析分析非常繁琐。实验方法在其精度上具有无可比拟的优点，但其缺点也是非常突出，费用高昂，操作复杂，费时费力，一般在设计定型投入使用前用该方法进行最后的强度验证，不适于在设计过程中采用。实际上最有效、使用也最普遍的应力分析方法是数值分析方法。目前，有限元法是工程分析应用中最广泛的数值计算方法。有限元法具有对于复杂几何模型的适应性，对于各种物理问题的适用性，建立于严格理论基础上的可靠性。基于有限元理论的大型通用软件ANSYS可以高质量高效率的完成复杂结构的分析计算。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种减少分析费用、节约成本且分析效率高的核一级容器ANSYS应力分析方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术解决方案是：应用ANSYS软件编写参数化设计程序，对筒体、椭圆形封头、人孔、接管、支座等在设计工况、运行工况及试验工况下进行详细的应力分析计算，对整体设备进行地震响应谱分析，对法兰螺栓进行接触分析，对不同类别的应力按照ASME规范要求进行分类及强度评定。
所述的应力分析计算，首先根据设计规格书进行常规设计后，给出设计图，在ANSYS中模拟设备建立几何模型及有限元模型，对所有核级部件进行分析计算，提取应力分析结果，按照ASME第Ⅲ卷，NB、NF分卷规范要求进行强度评定并给出详细的设计报告。
所述对所有部件进行分析计算方法包括：
1）建立几何模型为分析图纸，在ANSYS中创建实体模型，不忽略几何细节以达到较高精度；
2）模型切分：为网格划分做准备，把复杂的几何模型尽可能切成若干规则的几何体；
3）网格划分：首先按照材料属性定义单元属性例如弹性模量、泊松比等；其次控制网格尺寸，对关键部位即不连续处设置较小的网格尺寸，对于远离不连续处可适当加大网格尺寸以减少分析时间；最后生成网格，选用精度较好的六面体单元SOLID95采用网格扫略方法完成实体网格划分；
4）施加约束及载荷：包括自由度约束、集中力、表面载荷及惯性载荷；
5）求解：包括静力分析、地震谱分析及法兰螺栓接触分析；
6）后处理：完成有限元计算以后，已得到了全部有限元结果，包括位移、应力、主应力、应力强度、等效应力，可以显示云图，也可以对计算结果做进一步处理，如疲劳分析、应力线性化；应用应力线性化功能沿壁厚方向对应力分量做线性化处理，得到各类应力（如膜应力、弯曲应力、峰值应力）；
7）设计报告：根据ANSYS有限元分析结果，对各个工况下的各类应力分别按照ASME第Ⅲ卷，NB分卷规定进行强度评定给出详细的设计报告；如果所有强度均满足要求，那么分析设计过程结束，否则返回到初始设计阶段，更改尺寸，重新计算。
所述自由度约束：以该设备中人孔部分为例，人孔部分是轴对称结构取1/4进行分析计算，在对称边施加对称约束，在筒体环线施加轴向位移约束。
所述集中力：作用于接管与壳体连接处的接管载荷属于集中力，包括接管力及接管力矩，由于ANSYS中不能对节点或关键点施加力矩，需创建一个MASS21单元，在连接处环向一圈节点的圆心创建一新的关键点，对该关键点用MASS21单元划分，使该节点与连接处环向一圈节点进行自由度耦合，接管力及力矩作用在该新节点上。
所述表面载荷：容器内压及管口等效拉应力。
所述惯性载荷：由于结构的质量或惯性引起的载荷,如重力及旋转角速度。
所述静力分析：一个载荷步的线性静力分析只需一次求解。
所述地震谱分析包括：
a. 模态分析，选用子空间法，求解20阶模态
b．输入地震加速度谱，定义阻尼比
c．扩展振型
d．合并振型，选用CQC法
e．计算响应谱结果 。
所述接触分析包括：
a. 建立模型，并划分网格，由于对称性取1/16法兰螺栓结构
b. 识别接触对,螺母与盲板接触，螺栓与法兰接触
c. 定义刚性目标面，目标单元TARGE170
d. 定义柔性接触面，接触单元CONTA174
e. 设置单元关键字和实常数
f. 定义／控制刚性目标面的运动
g. 给定边界条件，对称面施加对称约束，法兰圆环面施加轴向约束
h. 定义求解选项和载荷步
i. 求解接触问题。
本发明与现有技术相比总结并改进了应用ANSYS软件对核一级容器的的分析设计方法，比起解析法及试验法大大缩短了设计时间，减少了设计费用，应用ANSYS参数化设计语言APDL编写的设计程序，可以简单的修改参数反复分析各种尺寸，不同载荷大小的多种设计方案或设计工况，极大的提高了分析效率，减少了分析成本，在分析中采用实体建模六面体单元，提高了计算精度。
附图说明
图1为核一级设备设计图；
图2为图1俯视图；
图3为整体设备有限元模型图；
图4为整体设备应力强度分布图；
图5人孔部分应力强度分布图；
图6封头及接管部分应力强度分布图；
图7筒体及接管部分应力强度分布图；
图8法兰螺栓接触分析位移图。
图中：1、筒体，2、人孔，3上封头，4、下封头，5、支座，6、接管，7、接管，8、接管，9、接管。
具体实施方式
核一级容器ANSYS应力分析方法应用ANSYS软件编写参数化设计程序，对筒体1、椭圆形上封头2、下封头3、人孔4、接管6、接管7、接管8、接管9、支座5等在设计工况、运行工况及试验工况下进行详细的应力分析计算，对整体设备进行地震响应谱分析，对法兰螺栓进行接触分析，对不同类别的应力按照ASME规范要求进行分类及强度评定。
核一级容器ANSYS应力分析方法，首先根据设计规格书进行常规设计后，给出设计图，在ANSYS中模拟设备建立几何模型及有限元模型，对所有核级部件进行分析计算，提取应力分析结果，按照ASME第Ⅲ卷，NB、NF分卷规范要求进行强度评定并给出详细的设计报告。
对所有部件进行分析计算方法包括：
1）建立如图1、图2所示的几何模型：分析图纸，在ANSYS中创建实体模型，不忽略几何细节以达到较高精度；
2）模型切分：把复杂的几何模型尽可能切成若干规则的几何体；
3）网格划分：首先按照材料属性定义单元属性例如弹性模量、泊松比等；其次控制网格尺寸，对关键部位即不连续处设置较小的网格尺寸，对于远离不连续处可适当加大网格尺寸以减少分析时间；最后生成网格，选用精度较好的六面体单元SOLID95采用网格扫略方法完成实体网格划分；
4）施加约束及载荷：包括自由度约束、集中力、表面载荷及惯性载荷；
所述自由度约束：以该设备中人孔部分为例，人孔部分是轴对称结构取1/4进行分析计算，在对称边施加对称约束，在筒体环线施加轴向位移约束；
所述集中力：作用于接管与壳体连接处的接管载荷属于集中力，包括接管力及接管力矩，由于ANSYS中不能对节点或关键点施加力矩，需创建一个MASS21单元，在连接处环向一圈节点的圆心创建一新的关键点，对该关键点用MASS21单元划分，使该节点与连接处环向一圈节点进行自由度耦合，接管力及力矩作用在该新节点上；
所述表面载荷：容器内压及管口等效拉应力；
所述惯性载荷：由于结构的质量或惯性引起的载荷,如重力及旋转角速度；
5）求解：包括静力分析、地震谱分析及法兰螺栓接触分析（如图8所示）；
静力分析：一个载荷步的线性静力分析只需一次求解；
地震谱分析包括：
a. 模态分析，选用子空间法，求解20阶模态
b．输入地震加速度谱，定义阻尼比
c．扩展振型
d．合并振型，选用CQC法
e．计算响应谱结果
接触分析包括：
j. 建立模型，并划分网格，由于对称性取1/16法兰螺栓结构
k. 识别接触对,螺母与盲板接触，螺栓与法兰接触
l. 定义刚性目标面，目标单元TARGE170
m. 定义柔性接触面，接触单元CONTA174
n. 设置单元关键字和实常数
o. 定义／控制刚性目标面的运动
p. 给定边界条件，对称面施加对称约束，法兰圆环面施加轴向约束
q. 定义求解选项和载荷步
r. 求解接触问题；
6）后处理：完成有限元计算以后，已得到了全部有限元结果，包括位移、应力、主应力、应力强度（如图3、4、5、6所示）、等效应力，可以显示云图，也可以对计算结果做进一步处理，如疲劳分析、应力线性化；应用应力线性化功能沿壁厚方向对应力分量做线性化处理，得到各类应力（如膜应力、弯曲应力、峰值应力）；
7）设计报告：根据ANSYS有限元分析结果，对各个工况下的各类应力分别按照ASME第Ⅲ卷，NB分卷规定进行强度评定给出详细的设计报告；如果所有强度均满足要求，那么分析设计过程结束，否则返回到初始设计阶段，更改尺寸，重新计算。
Claims (10)
1.核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于应用ANSYS软件编写参数化设计程序，对筒体（1）、椭圆形上封头（2）、下封头(3)、人孔（4）、接管（6）、接管（7）、接管（8）、接管(9)、支座(5)在设计工况、运行工况及试验工况下进行详细的应力分析计算，对整体设备进行地震响应谱分析，对法兰螺栓进行接触分析，对不同类别的应力按照ASME规范要求进行分类及强度评定。
2.根据权利要求1所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于首先根据设计规格书进行常规设计后，给出设计图，在ANSYS中模拟设备建立几何模型及有限元模型，对所有核级部件进行分析计算，提取应力分析结果，按照ASME第Ⅲ卷，NB、NF分卷规范要求进行强度评定并给出详细的设计报告。
3.根据权利要求2所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于所述对所有部件进行分析计算方法包括：
1）建立几何模型为分析图纸，在ANSYS中创建实体模型，不忽略几何细节以达到较高精度；
2）模型切分：为网格划分做准备，把复杂的几何模型尽可能切成若干规则的几何体；
3）网格划分：首先按照材料属性定义单元属性例如弹性模量、泊松比等；其次控制网格尺寸，对关键部位即不连续处设置较小的网格尺寸，对于远离不连续处可适当加大网格尺寸以减少分析时间；最后生成网格，选用精度较好的六面体单元SOLID95采用网格扫略方法完成实体网格划分；
4）施加约束及载荷：包括自由度约束、集中力、表面载荷及惯性载荷；
5）求解：包括静力分析、地震谱分析及法兰螺栓接触分析；
6）后处理：完成有限元计算以后，已得到了全部有限元结果，包括位移、应力、主应力、应力强度、等效应力，可以显示云图，也可以对计算结果做进一步处理，如疲劳分析、应力线性化；应用应力线性化功能沿壁厚方向对应力分量做线性化处理，得到各类应力（如膜应力、弯曲应力、峰值应力）；
7）设计报告：根据ANSYS有限元分析结果，对各个工况下的各类应力分别按照ASME第Ⅲ卷，NB分卷规定进行强度评定给出详细的设计报告；如果所有强度均满足要求，那么分析设计过程结束，否则返回到初始设计阶段，更改尺寸，重新计算。
4.根据权利要求3所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于所述自由度约束：以该设备中人孔部分为例，人孔部分是轴对称结构取1/4进行分析计算，在对称边施加对称约束，在筒体环线施加轴向位移约束。
5.根据权利要求3所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于所述集中力：作用于接管与壳体连接处的接管载荷属于集中力，包括接管力及接管力矩，由于ANSYS中不能对节点或关键点施加力矩，需创建一个MASS21单元，在连接处环向一圈节点的圆心创建一新的关键点，对该关键点用MASS21单元划分，使该节点与连接处环向一圈节点进行自由度耦合，接管力及力矩作用在该新节点上。
6.根据权利要求3所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于所述表面载荷：容器内压及管口等效拉应力。
7.根据权利要求3所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于所述惯性载荷：由于结构的质量或惯性引起的载荷,如重力及旋转角速度。
8.根据权利要求3所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于所述静力分析：一个载荷步的线性静力分析只需一次求解。
9.根据权利要求3所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于所述地震谱分析包括：
a. 模态分析，选用子空间法，求解20阶模态
b．输入地震加速度谱，定义阻尼比
c．扩展振型
d．合并振型，选用CQC法
e．计算响应谱结果。
10.根据权利要求3所述的核一级容器ANSYS应力分析方法，其特征在于所述接触分析包括：
a. 建立模型，并划分网格，由于对称性取1/16法兰螺栓结构
b. 识别接触对,螺母与盲板接触，螺栓与法兰接触
c. 定义刚性目标面，目标单元TARGE170
d. 定义柔性接触面，接触单元CONTA174
e. 设置单元关键字和实常数
f. 定义／控制刚性目标面的运动
g. 给定边界条件，对称面施加对称约束，法兰圆环面施加轴向约束
h. 定义求解选项和载荷步
i. 求解接触问题。
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