本發(fā)明涉及一種考慮材料和接觸非線性的rpv密封性能計(jì)算方法，用于核電站嚴(yán)重事故緩解技術(shù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)密封性能評(píng)估，屬于熔融物堆內(nèi)滯留領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：核電站嚴(yán)重事故的緩解和控制技術(shù)是目前國內(nèi)外極為關(guān)注的焦點(diǎn)。為緩解嚴(yán)重事故后果已提出許多應(yīng)對(duì)的策略，其中堆腔注水技術(shù)是一項(xiàng)目前在國際上受到普遍關(guān)注的嚴(yán)重事故緩解措施，其目標(biāo)是通過壓力容器外部冷卻(ervc)的方式保證嚴(yán)重事故下壓力容器(rpv)的完整性，從而獲得熔融物堆內(nèi)滯留(ivr)，防止大多數(shù)威脅安全殼完整性的堆外現(xiàn)象發(fā)生。在該項(xiàng)技術(shù)當(dāng)中rpv的密封性能是一個(gè)起到關(guān)鍵作用的重點(diǎn)問題，由于其工作過程中所處環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，外部流動(dòng)冷卻水、內(nèi)部存在高溫熔融物熱源，在技術(shù)研發(fā)過程中需要對(duì)rpv密封性能進(jìn)行模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。目前對(duì)rpv密封性能的驗(yàn)證大多是通過模擬試驗(yàn)來完成的，將rpv試驗(yàn)試件安裝在冷卻水腔內(nèi)，內(nèi)部高溫?zé)嵩赐ㄟ^加熱棒來模擬，試驗(yàn)周期長，耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的是提供一種考慮材料和接觸非線性的rpv密封性能計(jì)算方法，該方法通過仿真技術(shù)手段對(duì)rpv試驗(yàn)?zāi)M體密封性能進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。應(yīng)用相關(guān)技術(shù)軟件充分模擬rpv在內(nèi)部熱源升溫、外部水流冷卻的共同作用下，密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)部熱傳導(dǎo)和外部熱交換情況，計(jì)算獲得密封結(jié)構(gòu)的溫度和應(yīng)力結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)rpv密封性能的有效評(píng)估。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。一種考慮材料和接觸非線性的rpv密封性能計(jì)算方法，具體步驟如下：步驟一、應(yīng)用cfx軟件對(duì)rpv試驗(yàn)?zāi)M體進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算過程中同時(shí)考慮湍流模型和蒸發(fā)沸騰模型的影響，獲得試驗(yàn)工況下rpv溫度場分布、外水腔中水流的情況以及腔內(nèi)空氣的流動(dòng)情況，進(jìn)而求得rpv內(nèi)外表面的流域表面溫度和對(duì)流換熱系數(shù)，為密封性能計(jì)算提供邊界條件。步驟二、應(yīng)用abaqus軟件對(duì)rpv試驗(yàn)?zāi)M體進(jìn)行熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的耦合計(jì)算，步驟一獲得的流域表面溫度和對(duì)流換熱系數(shù)作為邊界條件，模擬過程中充分考慮材料特性隨溫度變化對(duì)結(jié)果的影響，以及材料非線性和接觸非線性的問題，計(jì)算獲得高溫工況下rpv溫度場結(jié)果，以rpv溫度場計(jì)算結(jié)果為邊界條件進(jìn)一步計(jì)算獲得應(yīng)力場結(jié)果。步驟三、應(yīng)用操作密封比壓的密封性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)步驟二所得的應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。即對(duì)rpv危險(xiǎn)接觸區(qū)域的溫度、等效應(yīng)力和接觸壓強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算分析，將接觸壓強(qiáng)計(jì)算結(jié)果與操作密封比壓閾值進(jìn)行比較，進(jìn)而對(duì)rpv密封性能進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。有益效果1、本發(fā)明在這種背景下設(shè)計(jì)了一種考慮材料和接觸非線性的rpv密封性能計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)在模擬試驗(yàn)之前通過有限元仿真的方法對(duì)rpv密封性能進(jìn)行有效預(yù)評(píng)估，可以為模擬試驗(yàn)提供重要參考，具有縮短技術(shù)研發(fā)周期，節(jié)約試驗(yàn)成本、提高技術(shù)可信度等優(yōu)勢(shì)，為確保在嚴(yán)重事故條件下壓力容器的完整性提供支撐。2、為了更好的模擬rpv實(shí)際內(nèi)外流場情況，在進(jìn)行流固耦合計(jì)算過程中關(guān)注湍流模型與蒸發(fā)沸騰模型的選擇與設(shè)置；熱機(jī)耦合分析模型以流固耦合模型計(jì)算獲得的流域表面溫度和對(duì)流換熱系數(shù)為邊界條件，綜合考慮高溫工況材料熱膨脹系數(shù)、墊片壓縮回彈曲線、接觸非線性以及材料非線性等因素對(duì)結(jié)果的影響；采用操作密封比壓的評(píng)價(jià)方法，結(jié)合危險(xiǎn)接觸區(qū)域溫度、等效應(yīng)力以及接觸壓強(qiáng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)rpv密封性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。附圖說明圖1為典型反應(yīng)堆壓力容器(rpv)密封部件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為rpv高溫密封性能計(jì)算方案流程圖；圖3為考慮材料和接觸非線性因素的rpv高溫密封性能仿真計(jì)算流程圖；具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1圖1、2、3為本發(fā)明考慮材料和接觸非線性的rpv密封性能計(jì)算方法具體實(shí)施實(shí)例，其中圖1為典型的rpv法蘭接觸密封結(jié)構(gòu)，主要由rpv筒體法蘭、密封墊片、連接螺栓、rpv下封頭等部件組成。在該實(shí)例中連接螺栓和rpv筒體法蘭均為不銹鋼材料，而rpv下封頭為銅材料，密封墊片為柔性石墨材料。一種考慮材料和接觸非線性的rpv密封性能計(jì)算方法，如圖2所示，具體實(shí)施步驟如下：1.應(yīng)用cfx軟件建立rpv流固耦合分析模型，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，需保證固體部分和水腔流體部分的網(wǎng)格劃分方式不同。對(duì)于流體域網(wǎng)格，在壁面邊界上應(yīng)該劃分出邊界層網(wǎng)格。該實(shí)例的邊界層網(wǎng)格使用了三棱柱網(wǎng)格，層數(shù)為3層。此外為提高網(wǎng)格質(zhì)量，利用hypermesh修改二維網(wǎng)格的功能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，刪除或者修改質(zhì)量較差的網(wǎng)格。2.在rpv流固耦合模型中，其中湍流模型選擇k-ε湍流模型，該模型主要通過求解兩個(gè)附加方程，k方程和ε方程(其中k方程是表示湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程，ε方程是湍流耗散方程)來確定湍流黏性系數(shù)，進(jìn)而求解湍流粘性應(yīng)力。蒸發(fā)沸騰模型選擇rpi模型，設(shè)置蒸汽和水的物性參數(shù)，進(jìn)行邊界條件和求解控制參數(shù)的設(shè)置。對(duì)仿真模型進(jìn)行溫度場計(jì)算，獲得rpv內(nèi)外流域的表面溫度和對(duì)流換熱系數(shù)，數(shù)據(jù)如表1所示。3.應(yīng)用abaqus軟件對(duì)rpv試驗(yàn)?zāi)M體建立熱機(jī)耦合分析模型，如圖3所示。在材料參數(shù)設(shè)置過程中通過gasket單元對(duì)柔性石墨墊片進(jìn)行模擬。充分考慮柔性石墨壓縮回彈特性隨溫度的變化情況，在軟件中設(shè)置常溫和高溫兩種工況材料特性曲線，數(shù)據(jù)如表2和表3所示，其余溫度下材料的參數(shù)特性軟件通過差值的方法即可獲得。4.考慮到不銹鋼、柔性石墨和銅材料在不同溫度時(shí)線膨脹系數(shù)的差異，尤其是高溫工況下參數(shù)特性變化較大，因此在仿真過程中設(shè)置不同溫度時(shí)材料的熱膨脹系數(shù)，如表4所示。5.在預(yù)緊和升溫的工況下，rpv法蘭接觸面附近局部應(yīng)力集中，此外銅封頭高溫屈服極限大幅度降低，可能導(dǎo)致反應(yīng)堆壓力容器出現(xiàn)塑性變形?？紤]到材料非線性因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在模型中設(shè)置銅封頭材料不同溫度下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，數(shù)據(jù)如表5、6、7所示。依據(jù)小變形彈塑性理論，在計(jì)算過程中采用vonmises屈服準(zhǔn)則。6.反應(yīng)堆壓力容器密封接觸問題屬于不定邊界問題，其中既有由接觸面積變化而產(chǎn)生的非線性，也有由摩擦作用產(chǎn)生的非線性。在密封分析過程中，各個(gè)密封接觸面均需進(jìn)行有摩擦的接觸分析，摩擦類型為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)取0.15。接觸問題采用罰函數(shù)法求解，為保證計(jì)算精度的同時(shí)減小計(jì)算量，筒體法蘭、螺栓和密封墊片采用c3d8r單元(六面體一次減縮積分單元)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的封頭采用c3d10m單元(修正的四面體二次單元)。7.rpv在高溫工作狀態(tài)下主要承受兩種載荷作用，一種為螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的機(jī)械載荷，另一種為內(nèi)部熱源產(chǎn)生的熱負(fù)荷。螺栓預(yù)緊力采用bolt單元進(jìn)行模擬，載荷通過分步施加的方法進(jìn)行加載，rpv內(nèi)部發(fā)熱源等效成體熱源(bodyheatsource)進(jìn)行模擬。rpv熱機(jī)耦合計(jì)算過程分為兩個(gè)步驟，首先以流固耦合計(jì)算結(jié)果為邊界條件計(jì)算rpv內(nèi)部溫度場分布情況，然后以溫度場計(jì)算結(jié)果為邊界條件計(jì)算應(yīng)力場結(jié)果。8.計(jì)算完成后，依據(jù)操作密封比壓p0＝m·p進(jìn)行密封性能分析。其中p為rpv內(nèi)壓，該實(shí)例中為0.3mpa，m為密封墊片系數(shù)，柔性石墨墊片的系數(shù)m＝2，因此操作密封比壓閾值p0＝0.6mpa。將rpv溫度、等效應(yīng)力以及接觸壓強(qiáng)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，其中密封墊片溫度、等效應(yīng)力以及接觸壓強(qiáng)的最大值和最小值如表8所示，可見rpv高溫工作狀態(tài)下密封墊片最小接觸壓強(qiáng)為1.272mpa，大于操作密封比壓閾值(0.6mpa)，因此該實(shí)例中rpv高溫密封性能是能夠滿足要求的。此外，該實(shí)例中rpv的密封性能通過進(jìn)一步的模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果也是合格的，因此本發(fā)明一種考慮材料和接觸非線性的rpv密封性能計(jì)算方法是正確有效的。表1封頭和筒體內(nèi)外流域的表面溫度和對(duì)流換熱系數(shù)表2墊片在20℃時(shí)壓縮回彈曲線參數(shù)值表3墊片在400℃時(shí)壓縮回彈曲線參數(shù)值表4材料不同溫度下的線膨脹系數(shù)(10-5/k)溫度(℃)0100200300400500600700800不銹鋼1.631.681.731.761.801.831.871.901.93紫銅1.701.811.841.871.901.931.971.99/柔性石墨0.3970.4130.4280.4420.4600.478///表5銅材料在20℃時(shí)真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)表序號(hào)12345真實(shí)應(yīng)力mpa45160225275300塑性應(yīng)變00.0990.1980.2980.398表6銅材料在650℃時(shí)真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)表序號(hào)123456真實(shí)應(yīng)力mpa204450525458塑性應(yīng)變00.0250.0550.0850.2500.649表7銅材料在950℃時(shí)真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)表序號(hào)12345真實(shí)應(yīng)力mpa918192020.5塑性應(yīng)變00.0220.0500.1000.650表8密封墊片溫度、等效應(yīng)力以及接觸壓強(qiáng)的最大值和最小值結(jié)果類型溫度(℃)等效應(yīng)力(mpa)接觸壓強(qiáng)(mpa)最大值1463.1941.633最小值1340.6211.272當(dāng)前第1頁12