有效应力图法在压水堆核电站管道热棘轮分析上的应用

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了规定,但当管道受到很大的热冲击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。详细分析了RCC-M规范对于管道渐进性变形破坏的要求和工程上可行的评定准则,并采用基于材料试验数据的有效应力图法对稳压器排放管进行了热棘轮安定性分析,分析结果表明,在500次循环热冲击载荷作用下产生的热棘轮变形不会对管道的可运行性产生影响,累积变形对塑性稳定性边界的影响在有限范围内,管道依然满足RCC-M规范要求。基于试验的有效应力图法使用简单,非常适合工程设计应用,可用于PWR核电站管道热棘轮分析。     

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。     

金属材料低周疲劳生热的有限元数值模拟

由于热弹塑性效应的存在,使得材料在低周疲劳载荷作用下发生的力学变形将导致材料温度发生变化,因而可通过观测温度变化判明材料的累积疲劳损伤。基于此,采用叠加各向同性强化模型的非线性随动强化模型作为循环载荷下的材料力学本构模型,以有限元软件ANSYS为平台,对SS304不锈钢平板试件在控制应变循环载荷作用下的热弹塑性效应进行数值模拟,着重分析一个载荷周期内导致材料温度发生变化的各种机制。结果表明,在一个载荷周期内,若材料处于弹性变形范围内,则引起材料温度变化的只有弹性拉伸和弹性压缩两种机制,且弹性拉伸引起温降,弹性压缩引起温升;若材料处于弹塑性变形范围内,则塑性拉伸、弹性压缩和塑性压缩导致材料温度上升,弹性拉伸导致温度降低。在整个载荷周期内,热弹性效应导致材料温度发生波动,热塑性效应导致材料平均温度升高。此外,若将材料温度的变化信息叠加到应力-应变变化的信息上,还可判明材料的屈服强度以及材料在载荷作用下所处的应力状态,如弹性拉伸、塑性拉伸、弹性压缩以及塑性压缩等状态。     

温度对循环载荷作用下内压直管棘轮效应的影响

为了保障核电压力管道安全运行,本文研究了温度对核电站一回路辅助奥氏体不锈钢Z2CND18．12N内压直管在循环载荷作用下棘轮效应的影响。非线性随动硬化模型和C—TDF方法分别用来评定循环载荷作用下内压直管的棘轮效应和棘轮边界。结果发现,直管的棘轮应变主要发生在环向,初始棘轮应变率较大,然后随着循环圈数减小;棘轮应变随着温度的增加而增大;内压直管的棘轮边界与温度无关。     

基于PIPESTRESS的核一级辅助管道疲劳分析方法研究

为防止管道失效,RCC-M规范规定除应考虑自重、压力等载荷变化导致的应力变化外,核一级辅助管道必须考虑热膨胀和热弯曲应力变化对疲劳累积使用系数的影响。重点研究基于PIPESTRESS的核一级辅助管道疲劳分析的基本方法,并以某电站核一级辅助管道为例,通过专用管道力学分析软件PIPESTRESS确定管道在温度载荷(热膨胀、温度梯度和锚固点热位移)、压力载荷和机械载荷等交变载荷作用下各瞬态工况应力变化幅值,采用雨流计数法计算疲劳累积使用系数进行疲劳分析和评定。     

内压弯管在面内循环弯曲载荷作用下棘轮效应的研究

利用多轴试验机研究了内压及面内循环弯曲载荷作用下低碳钢弯管的棘轮效应。试验研究表明最大棘轮应变发生在顶线位置的环向。对于个别试件,内缘线位置也发现了环向棘轮应变,但所有试件的外缘线位置均未发现棘轮应变。内压不变时棘轮应变速率随面内循环弯曲载荷的增大而增大;面内循环弯曲载荷不变时,棘轮应变速率随内压的增大而增大。通过用户编程,采用Chen—Jiao—Kim随动强化模型,利用弹塑性有限元法对弯管进行了循环塑性分析。与试验结果相比,Chen—Jiao—Kim随动强化模型能给出较好的预测。采用C—TDF提出的等效塑性应变增量控制法确定了结构的棘轮边界。     

轴向移动温差作用下焦炭塔筒体循环塑性分析

对焦炭塔材料15Cr Mo R在20℃、200℃、300℃及400℃下进行单轴拉伸试验与单轴棘轮效应试验,利用OW-II随动强化模型对材料的棘轮应变进行预测,模型能较好地预测材料稳定段的棘轮应变率。运用动态坐标系法对焦炭塔进油及进水两种工况进行瞬态温度场分析,确定轴向移动温差及其特征量,为焦炭塔循环塑性分析确定简化的温差特征载荷。对焦炭塔筒体进油生焦及进水冷焦两种工况进行循环塑性分析,发现进油及进水轴向温差渐变范围下对齐时结构具有更大的棘轮应变率,内压循环的同时作用会增大结构的棘轮应变。通过参数化计算,确定焦炭塔结构的棘轮边界,当进水轴向温差高度较小时棘轮边界受内压循环的影响较大。     

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。     

循环热-机械双轴载荷下薄壁圆筒的热棘轮极限

热棘轮失效是薄壁圆筒的主要失效模式之一,现有ASME锅炉及压力容器规范和EN13445等设计标准主要考虑环向应力,而未考虑轴向应力条件,使得设计结果可能偏于不安全。针对循环热-机械双轴载荷下薄壁圆筒热棘轮设计理论的不足,采用非循环分析方法系统研究双轴应力状态下薄壁圆筒热棘轮极限的解析解,重点考虑轴向压缩应力对循环温度梯度和稳定内压组合载荷下薄壁圆筒热棘轮极限的影响,并提出相应的设计方法,并采用有限元法对理论结果进行验证。结果表明,循环热-机械载荷下轴向压缩应力会显著降低薄壁圆筒的热棘轮极限,且理论解与有限元分析结果吻合良好,这说明此方法可用于循环热-机械双轴载荷及类似工况下薄壁圆筒的热棘轮设计限,具有良好的工程价值。     

15CrMoR焊缝区及母材区低周疲劳寿命预测

制作了焦炭塔用材15Cr MoR的对接试件,对其母材区及焊缝区金属进行了不同温度的单轴拉伸试验与全寿命单轴棘轮效应试验。利用OW-II随动强化模型对材料的棘轮效应进行预测,模型能较好地预测材料稳定段的棘轮应变率。通过单轴拉伸试验数据得出预测低周疲劳寿命的基本参数,选用考虑棘轮效应的MSRS模型对母材区焊缝区材料疲劳寿命进行预测,预测结果均在2倍误差带以内,而且预测结果均匀分布在45°精确线两侧。利用OW-II随动强化模型在相同工况下预测出的母材区焊缝区稳定段棘轮应变率,应变幅值,带入MSRS模型,预测结果表明母材区疲劳寿命明显低于焊缝区,稳定段棘轮应变率母材区明显高于焊缝区。     

不同钢轨材料棘轮行为试验研究

棘轮行为诱导的滚动接触疲劳失效是钢轨伤损的主要形式之一,分析不同钢轨材料在循环载荷作用下的棘轮行为演化规律,对线路钢轨选材具有重要指导意义。针对现役的热轧U71Mn、热处理U71Mn、热轧U75V和热处理U78Cr V四种钢轨材料分别限定初始最大塑性应变和峰值应力相同,开展了循环塑性变形行为试验研究,讨论不同钢轨材料棘轮行为的演化规律的差异。结果显示:在试验涉及的四种钢轨材料中,热处理U78Cr V和热轧U71Mn分别拥有最高和最低的屈服强度、极限强度;当棘轮应变初始值相近时,热处理钢轨棘轮应变演化速率无论是初期还是稳定期都高于热轧钢轨;当峰值应力相同时,强度更高的钢轨抵抗塑性变形的能力更高。不同钢轨材料在失效棘轮应变相近时的疲劳寿命差异较大,疲劳寿命随失效棘轮应变的增加而降低,且稳定棘轮应变率可用于钢轨危险位置的疲劳裂纹萌生寿命预测。     

某项目安注管线热棘轮效应分析与评定

核电站在运行期间,核反应堆的压力容器和管道会承受内压、循环热载荷及振动等各种复杂载荷工况,这些工况会导致材料或结构发生棘轮效应,缩减材料或结构的疲劳寿命,严重影响压力容器和管道的安全可靠性。RCC-M规范中对压水堆核电站管道的热棘轮效应是基于BREE图进行规定的,计算发现,当管道受到很大热冲击瞬态载荷时,可能会出现不能满足此规范要求的情况,这时就需要进一步对管道棘轮安定性进行分析。分析RCC-M规范对于管道热棘轮的计算公式及评定要求后发现,可以采用薄壁圆筒近似公式对管道棘轮效应进行评价,分析结果表明,在循环热冲击载荷作用下产生的热棘轮效应能够满足RCC-M规范要求,对工程设计有一定参考价值。     

基于能量准则的板翅式换热器封头安定性研究

针对板翅式换热器封头在工作介质压力周期性变动下的失效问题,开展了循环内压作用下的封头结构安定性分析.建立一种基于孙阳能量判定准则的安定性分析建模及计算方法,并与厚壁圆筒安定解析解进行了比较分析,结果表明安定性分析能量法的合理性和有效性.针对不同开孔率下的安定载荷边界曲线的变化规律,拟合了安定性下限载荷计算公式,为板翅式换热器带接管-封头工程设计和安定性分析提供有益参考.     

重型卡车散热器失效分析及优化研究

针对重型卡车铝塑管带式散热器泄漏失效问题,根据疲劳失效机理分析,优化设计塑料水室、主板、散热管、侧板等散热器核心零件。利用有限元仿真进行耐压分析和热-结构耦合分析。仿真结果表明：在压力交变载荷和温度交变载荷作用下,散热器各组成零件的最大变形量和最大应力值分布点与实际失效区域吻合,验证了有限元模型和仿真分析的准确性,对比材料疲劳寿命曲线,优化后散热器的应变、应力值小于设计安全值。对散热器样件进行压力脉冲试验和冷热循环试验,结果满足主机厂设计要求。     

热-机循环载荷作用下裙座结构的棘轮和疲劳评定

基于给定的热-机循环载荷,对裙座结构进行了热应力分析。采用弹性核判据和弹-塑性应力分析对结构进行了棘轮评定,采用最大-最小循环计数法和弹性应力分析对结构进行了疲劳评定。为裙座结构防止复杂循环载荷引起的失效提供一定参考。     

载荷路径对内压弯管棘轮效应的影响

采用有限元软件对Z2CND18.12N不锈钢弯管的棘轮变形现象进行研究,将Chen-JiaoKim(CJK)随动强化模型嵌入ASNYS软件来保证模拟过程更加准确。弯管受到内压和交变面内弯曲载荷的作用,采用了多种的加载路径,研究了不同的加载路径条件下的棘轮变形,同时也研究了同一路径、不同方向对棘轮变形的影响。研究结果表明,在不同加载路径条件下,棘轮应变最大值都出现在了内缘线位置的环向,但棘轮应变值有一定的差别。不同路径对弯管棘轮效应的影响主要由于弯曲载荷施加过程中内压的不同,先施加弯曲载荷再提高内压的过程会极大地降低弯管棘轮效应。通过对路径优化前后弯管棘轮边界对比可以看出,路径的优化提高了弯管的棘轮边界。     

压力容器与管道安定/棘轮评估方法研究进展

介绍了压力容器与管道安定/棘轮评估方法的研究进展,重点总结了考虑蠕变和不考虑蠕变两种条件下结构的棘轮极限评估方法。结果表明,与直接法相比,Adibi-Asl和Reinhardt等提出的弹性模量修正法、Martin等提出的混合方法及Abou-Hanna等提出的修正屈服面法均可更高效地评估棘轮极限载荷,适于工程计算。该研究对压力容器与管道及其他结构的安定性评估有一定指导意义。     

不同温度下15CrMoR循环塑性实验研究及低周疲劳寿命预测

在20℃,200℃,300℃和400℃下对15CrMoR进行了循环塑性行为和棘轮效应—疲劳交互作用的实验研究。不同温度下全寿命内循环塑性实验表明,非对称循环加载的大部分时段棘轮应变率基本保持稳定,后期接近失效阶段才急速增大。各温度下棘轮应变随平均应力、应力幅的增大而增大。低周疲劳寿命受平均应力和应力幅的共同影响,但应力幅的影响更大。与Coffin-Manson模型及Morrow修正模型相比,各温度下MSRS模型对材料疲劳寿命的预测更为准确。采用含温度参数的MSRS模型可较方便地预测不同温度下材料的疲劳寿命。     

交流电作用下电热致动器的热疲劳失效机理研究

针对电热致动器在交流电作用下承受交变温度载荷而发生热疲劳失效的现象,分析热疲劳失效机理。建立电热致动器的瞬态温度分析模型和力学模型,实测致动位移,实测位移与理论计算、有限元仿真结果一致。温度和应力计算表明,结构形式和施加的电压直接影响致动器的温度分布和应力大小,因最大应力小于屈服强度极限而不会发生应力引起的疲劳失效。测试交流电作用下致动位移和循环次数的关系,试验结果和理论计算表明,温度低于脆性-韧性转换温度,电热致动器不发生热疲劳失效,否则在长期循环后会发生热疲劳失效。300~600℃的温度对电热致动器的工作最有利,在此温度范围内能够精确稳定地提供数千万次的致动循环。根据失效现象,分析热疲劳失效机理,得出高温变形是引发热疲劳失效的直接原因,交流电压的幅值和频率对热疲劳的作用都能统一到温度上。     

柴油机铝合金活塞疲劳寿命预测

针对某高强化柴油机活塞,基于温度分布测试结果,运用有限元软件ABAQUS的热分析功能计算得到热应力分布.考虑材料性能的温度效应,并施加按正弦波规律简化的燃烧压力,采用疲劳分析软件FE-FATIGUE进行活塞热-机械载荷复合疲劳寿命预测,经对比,软件预测与台架试验结果吻合.