雨流计数法在PIPESTRESS软件中的实现方法

雨流计数法是工程上用于疲劳设计和疲劳评估常用的一种方法。以雨流计数法的基本原理和计数规则为基础,并以某核电站核辅助管道为例,通过专用管道力学分析软件PIPESTRESS确定管道在温度载荷、压力载荷及机械载荷等作用下各瞬态工况应力变化幅值,说明雨流计数法在PIPESTRESS软件中的实现方法,并结合材料S-N曲线进行疲劳累积使用系数的计算,从而进行疲劳寿命的评估。     

核二三级管道疲劳分析方法简介

在核电站的建造设计过程中,为了防止管道失效,RCC-M规范规定,除了应考虑自重、压力和地震等载荷变化导致的应力变化外,还规定应该考虑热膨胀和热弯曲应力变化对管道疲劳的影响。RCC-M规范B3650篇明确规定核一级管道必须进行详细的疲劳分析,而二三级管道需要按照C3112篇疲劳排除方法来确定是否需要做详细疲劳分析。不能满足疲劳排除原则的核二三级管线进行详细疲劳分析,能够满足疲劳排除原则的管线不需要进行详细的疲劳分析,但需要在管道应力计算时考虑应力范围减弱系数。详细介绍RCC-M规范中疲劳排除以及应力范围减弱系数的计算方法,并以核取样系统为例,具体说明核二三级管道系统在设计过程中如何考虑疲劳效应。结果表明,经受温差和压差较大载荷时,核二三级管道也需要进行详细的疲劳分析;而承受次数较多但温差和压差不大载荷时,重点考虑应力范围减弱系数对管道应力计算的影响。     

某压水堆核电厂稳压器排放管疲劳分析方法改进

稳压器排放管是某压水堆核电厂最重要的核一级管道之一。因稳压器与三组安全阀之间的U形液封管段存在热分层效应,管线承受显著热交变载荷,疲劳累积使用因子过高。根据RCC-M规范,建立管道局部有限元分析模型,采用"混合分析法"对计算分析方法进行改进。分析结果表明,该管线疲劳累积使用因子可显著降低。     

基于三维应力分量的管道热疲劳监测数据分析

美国ASME规范第Ⅲ卷和法国RCC-M等规范均基于交变应力强度进行核一级部件疲劳寿命分析。受制于技术发展的限制,管道热疲劳分析中多采用单个方向应力或应力强度进行载荷循环峰谷值探测与载荷循环配对,但交变应力强度峰谷值探测与载荷循环配对情况不应基于任意两个时刻的单个方向应力或应力强度数值之差进行分析,而应基于单元体任意时刻6个应力分量进行评估(尤其对于各应力分量达到峰谷值时存在时间差,或主应力方向发生偏转的情况)。基于核电厂核一级管道的监测数据,探讨建立一套基于格林函数计算热应力和极值窗口进行交变应力强度计算的管道热疲劳详细分析方法,并通过核电厂某一管嘴的热疲劳分析,详细介绍了该分析方法的应用过程。典型案例分析结果表明,峰谷值探测与循环配对中未采用三维应力分量和极值窗口法时,计算获得交变应力强度的非保守度达9. 66%。     

某项目主泵轴封水管线固定点设计优化

核级管道的应力分析是为了保证管道以及与其相连的设备、支架的安全。某研发项目管道需要考虑破管载荷,增加破管载荷后管道支架需要承受较大载荷,尤其是固定点,由于土建已经固化施工,埋板的边界条件差,导致埋板应力及混凝土应力不通过,通过调整固定点的位置来改善边界条件,然后再改变埋板形式,最终埋板应力比0.63,混凝土应力比0.67。使用Pipestress软件对轴封水管线进行静力学和动力学分析。经过分析,管线在承受自重、压力、热膨胀、地震、破管载荷的作用下,满足RCC-M规范应力评定准则和可运行要求。     

反应堆压力容器主螺栓螺纹疲劳分析方法

反应堆压力容器主螺栓螺纹是核岛设备疲劳分析中裕量偏小的典型部位之一。为优化螺纹疲劳数值分析方法,考虑主螺栓及主螺孔结构特点,从螺纹模型简化方式、应力提取及组合方式、瞬态温度和压力载荷叠加方式、疲劳强度减弱系数Kf取值及使用方法等方面,对反应堆压力容器主螺栓螺纹疲劳性能进行对比分析,总结出各因素对疲劳累积使用系数的影响规律,推荐一套较为合理、有效的计算方法,以提升螺纹疲劳分析裕量,从而为螺栓结构设计提供参考。     

某研发项目稳压器排放管线应力分析

某研发项目的稳压器排放系统在严重事故卸压管线上布置2列卸压阀,以防止阀门失效,此设计方案比法国M310堆型更加复杂。由于系统设计的改进,需要对稳压器、安全排放管和严重事故卸压管的耦合模型进行应力分析。对该稳压器排放管系统进行管道应力分析。为了能够更好地模拟稳压器排放系统的力学特性,特别是对阀门动作后的水力载荷对管道系统的影响,需要进行动力学响应分析,选用了经过认证的PIPESTRESS软件对耦合模型进行模拟。经过分析,稳压器排放管系在承受自重、压力、热膨胀、地震、破管载荷以及水力载荷作用下,满足RCC-M规范应力评定准则要求和可运行性要求。     

基于RCC-M与ASME的核2/3级管道应力评定比较

RCC-M《法国压水堆机械设备制造与设计规范》和ASME《美国机械工程师协会标准》为目前核电厂广泛采用的技术标准,两者对压水堆核2/3级管道应力评定的规定相似但不完全相同.论述了核2/3级管道应力分析及评定的方法;总结了RCC-M规范和ASME标准对核2/3级管道应力评定的要求,比较了不同载荷工况下两者的差异;以某管道为例,应用PIPESTRESS软件分别按照RCC-M规范和ASME标准对其进行应力评定.结果表明:总应力计算结果与应力增强系数和一次应力指数关系密切,RCC-M规范侧重压力的影响,ASME标准侧重自重及偶然荷载的影响.在内压为零及内压不大的情况下,ASME相对RCC-M更偏于安全.而对于内压较大,自重及偶然荷载的影响较小的情况下,RCC-M相对ASME更偏于安全.     

海上浮动核电站管道系统摇摆载荷分析

巨大的海上风暴会使海上浮动核电站产生剧烈的摇摆,在对海上浮动核电站核反应堆管道系统进行力学分析时,必须考虑摇摆载荷。采用载荷系数法,在专用管道计算分析软件PIPESTRESS上,取虚拟节点的载荷系数,计算出了在摇摆作用下管道所承受的载荷;同时,采用ANSYS软件的谐响应分析功能,计算出了在摇摆作用下管道系统的稳态响应,并对载荷系数法计算出来的弯矩和谐响应法计算出来的弯矩进行了对比分析。分析结果表明,载荷系数法计算出来的结果具有较大的保守性。对于管道应力超出限值的节点,通过用该节点处实际坐标的载荷系数,重新计算该节点的摇摆载荷,可以降低不少保守性。     

循环载荷下热疲劳裂纹的应力强度因子

为揭示循环温度载荷对热疲劳裂纹应力强度因子的影响规律,考虑材料的多线性塑性随动强化性质,用有限元法计算多种循环载荷作用下裂尖点的应力-应变和热疲劳裂纹的应力强度因子。该应力强度因子值由裂尖附近压缩塑性应变的累积量决定。压缩塑性应变对温度载荷的作用次序敏感,因此应力强度因子也受到温度载荷的作用次序的影响。恒温度幅循环条件下,如果不考虑裂纹扩展,热疲劳裂纹的应力强度因子不随循环次数变化。变温度幅循环条件下,低温循环不会影响其后的高温循环应力强度因子;高温循环却影响其后的低温循环应力强度因子,并使得低温循环的应力强度因子与高温循环的应力强度因子相同,因此突发的高温载荷严重威胁高温构件的寿命。热疲劳裂纹扩展试验证明了有限元计算结果的正确性。     

基于RCC-M规范快速计算管道热冲击应力的探讨

对管道热冲击应力快速计算方法和核一级设备设计规范(对比RCC-M规范和ASME规范)中管道壁厚径向线性温度分布引起应力分类方法展开研究,探讨了核电厂在线疲劳监测系统中快速、精确计算管道热疲劳应力的方法。以核电厂某典型的管道T型接头为分析对象,分析了基于格林函数快速计算管道热冲击应力响应方法的有效性。研究结果表明,参考瞬态下,格林函数计算结果与有限元数值仿真结果偏差在0. 5%范围之内,基于格林函数快速计算管道热冲击应力具有较高的可靠性;参考分析瞬态下径向线性温度分布引起管道轴向最大应力值占设计规范限制3Sm的7. 03%,相比ASME规范的设计要求,RCC-M规范的分析准则存在不必要的保守性。     

基于PIPESTRESS软件的常见支架力学建模分析

针对华龙项目,力学专业主要采用PIPESTRESS软件进行应力分析。在使用PIPESTRESS进行管道计算时,管道上设置了支架的位置需要施加约束。文中对常见的支架(如刚性支架、弹吊、阻尼器等)该如何在程序中实现约束管道的功能进行了总结。     

基于有限元的热机耦合下角接触球轴承疲劳寿命预测

为了得到直升机分扭传动输入级角接触球轴承的疲劳寿命,综合考虑了热应力和结构应力的共同作用。基于L-P疲劳寿命理论和Hertz接触理论,结合Goodman公式、材料的P-S-N曲线以及Miner疲劳累积损伤理论的EM修正法则,建立了直升机主减速器角接触球轴承的疲劳寿命模型。分析了角接触球轴承摩擦发热量的计算和对流换热系数的选取,确定了要加载的热载荷和边界条件,基于Ansys软件对轴承进行稳态热分析,分析径向载荷与转速对轴承稳态最高温度的影响。并在稳态热分析的基础上进行轴承热机耦合场分析,探讨了温度影响下的轴承疲劳寿命。结果表明:随着工作温度的升高,轴承寿命明显降低,摩擦发热对寿命的影响不可忽视。     

稳压器喷淋管线三通的热棘轮效应分析和评定

热棘轮分析是核电管道设计中重要的分析内容,压水堆(PWR)核电站一般基于Bree图对管道热棘轮效应进行规定,但当管道受到很大的热瞬态载荷时往往不能够满足此要求,需要进一步对管道棘轮安定性进一步分析。采用Chaboche非线性随动强化模型对PWR核电站中不能够满足RCC-M规范B3653.7章节的稳压器喷淋管线上的三通进行弹塑性分析,通过对RCC-M规范要求、模型简化方法、本构模型假定、压力和瞬态热载荷循环加载等方面的研究,利用ANSYS11.0软件对三通的热棘轮变形进行评定。分析结果表明,在345℃→20℃和10℃→240℃两个瞬态温度变化后膜应力出现峰值;在压力和瞬态热载荷共同作用下,膜应力最大位置在模型主管和支管的过渡位置。通过进一步对模型在10次循环载荷后的累积渐进性变形进行分析,结果表明,分析对象的塑性变形速度随着循环加载不断降低,具有循环硬化特征。模型的尺寸变形均远远小于3.5%,10次循环后的热棘轮变形对结构的塑性安定性影响很小,满足RCC-M规范对渐进性变形的要求。     

130t钢包包壳热应力的有限元分析及应用

根据130 t钢包的实际结构,以传热学理论为依据,以ANSYS软件为工具,采用二维轴对称热结构耦合模型,并使用接触单元,提取了耐火衬对包壳的热膨胀压力,发现包壳角部出现压力突变,峰值为65 MPa。因此,对角部耐火衬做了结构改进。然后,采用改进后的二维轴对称热结构耦合模型提取了热膨胀压力及包壳温度载荷。在以上基础上,构建三维包壳模型并施加改进后的温度载荷与热膨胀压力及重力载荷,并建立耳轴与辅助块的接触对来反映包壳的自由热膨胀,进行了高温重载下包壳的强度计算,经计算包壳强度合格。该包壳已应用于工程实际,且使用效果良好。     

热作模具钢的高温热机械疲劳寿命预测

研究热作模具钢在应力控制下的等温疲劳和同相热机械疲劳寿命，发现在相同的应力幅下，同相（最高温度550℃，最低温度250℃）热机械疲劳寿命低于上限温度的等温（温度550℃）疲劳寿命。这表明在相同的应力幅下，热机械疲劳比等温疲劳产生更严重的损伤，用最高温度下的等温疲劳寿命代替热机械疲劳寿命并不一定得到可靠的结果。在等温疲劳条件下，疲劳裂纹主要为穿晶萌生与扩展，而在热机械疲劳条件下，疲劳裂纹主要沿晶萌生与扩展。文中还以Chaboche高温疲劳损伤模型为基础，考虑损伤系数是最高温度和温度范围的函数来评价载荷控制下材料的热机械疲劳寿命。在热机械疲劳试验中，考虑温度变化产生的附加内应力，因此每一循环的损伤不仅是最大应力和平均应力的函数，而且与最高温度和温度循环范围有关。根据累计损伤的等效温度法，取最大温度为等效温度。热作模具钢在热机械疲劳过程中，由热循环产生的附加损伤通过损伤指数系数表示。结果表明，该预测结果与试验结果十分吻合。     

RIGD单元和SPRS单元对主给水管道解耦模型的影响分析

对主给水管道进行力学分析时有两种方法考虑主回路影响,一种是连着主回路模型一起计算;另外一种是与主回路模型解耦计算,通过在解耦处施加主回路产生的地震谱及位移来模拟主回路影响。以主给水管道解耦模型为研究对象、以PIPESTRESS有限元软件为工具,对主给水管道管嘴到蒸发器解耦约束点处的模型分别采用RIGD单元和SPRS单元开展抗震分析,对比采用这两种单元建模时主给水管道在地震载荷下的应力、反力及阀门加速度的变化情况,为后续主给水管道与蒸发器解耦模型建模方式提供指导。     

核主泵导叶体在高温工况下的结构力学分析

为验证核主泵导叶体在高温工况下的结构完整性,通过水力模型试验测得叶片压力分布,从而优化叶片压力场。导叶叶片顶部到叶片根部压力趋势为线性梯度,沿圆周方向无压力梯度。提出了模型泵叶片与真机间的压力换算,以模型试验测得模型泵叶片压力,通过模型泵与真机泵之间的轴向力比值及转矩比值分别计算轴向力载荷有效系数及转矩载荷有效系数,进而计算获得轴向力与转矩载荷下叶片压力,导入ANSYS软件计算导叶体轴向力F_(sh)与转矩M_c在载荷下的最大应力及变形量。通过计算导叶体在设计寿命内经受的载荷周期循环,引入海夫Haigh图谱,通过材料极限疲劳试验评定导叶体在极限载荷工况下的疲劳极限值;优化了导叶体的加载工况,计算出轴向与转矩载荷下最大应力值的疲劳失效安全系数,从而确认疲劳安全性。     

基于非线性损伤理论的焊接疲劳设计

构建一种基于非线性损伤理论的焊接疲劳设计模式,能有效地用于多级疲劳载荷作用下焊接接头的疲劳设计与分析。所构建的设计模式,不仅考虑了多级疲劳载荷的加载次序效应,也考虑了载荷间的相互影响。采用Manson-Halford累积损伤模型以及改进模型来处理加载次序效应,以应力比的形式来体现载荷间相互作用,利用所构建疲劳设计模式对标准焊接接头进行疲劳设计,讨论了不同疲劳载荷加载次序以及载荷级数等因素对焊接结构疲劳设计参数应力因数的影响,并将设计结果与基于传统Miner理论的设计结果进行比较。数值结果表明,基于非线性累积损伤理论所建的焊接疲劳设计模式,可对焊接接头的疲劳特性进行有效的设计分析,具有较高的精度和可信度。所建焊接结构疲劳设计模式能够较好地处理载荷次序效应以及载荷间的相互影响,且模型参数相对较少,可应用于实际工程设计。     

航空圆柱滚子轴承热弹耦合下疲劳寿命研究

以M50NiL航空圆柱滚子轴承为研究对象,基于Lundberg Palmgren疲劳寿命理论和Hertz接触理论,结合Goodman公式及材料P S N曲线,综合考虑热应力和结构应力的共同作用,建立其疲劳寿命模型。该模型主要与最大Hertz接触应力及材料系数相关。在有限元软件ANSYS求解应力过程中,采用热塑性有限元法,计算温度场载荷;将摩擦热载荷产生的温度场和热应力分布做为应力分析的边界条件,推导轴承在热力耦合下的应力分布规律,并对某直升机单工况作用下的主减速器圆柱滚子轴承给出疲劳寿命评估,评估表明与试验值误差仅为1161%。研究结果表明,该疲劳寿命模型综合考虑热应力和结构应力的影响,是一种安全、有效的疲劳寿命估算方法。