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远算云学院

新虫 (初入文坛)

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[交流] 【EDF开源CAE】在ASME BPVC标准下优化圆底蓄水池最小容许厚度

code_aster是法国电力集团（EDF）研发的一款开源有限元仿真软件，适用于固体力学、热学和声学等物理现象，具体细分为静力学、动力学、土-结构相互作用、流固耦合、传热学等方面的仿真分析，具备广阔的应用场景。code_aster通过核工业认证，满足法国核安全局和英国核监管部门要求，在各工业领域尤其是能源电力领域有大量的工程和研发应用案例。

工业应用背景
根据法国对承压核电组件的有关规定，900MWe级反应堆中位于初级废水处理回路顶部的蓄水罐须在2021年前完成周期性检验。这类蓄水罐用于储存初级放射性废液，正常工作温度约为50℃，容器内压强约为2.4个大气压。蓄水罐由三个环段组成，其几何尺寸于1975年根据美国工程师协会颁布的锅炉与压力容器规范（BPVC, Boiler and Pressure Vessel Code）规定，具体构造如下：

通过16个预加载的A193grB7级钢制M60型螺纹杆固定
内径3190mm，高11.47m
厚度随高程变化（根据环段不同5mm至10mm不等）
蓄水罐总重约为90吨
外围由加固板加固
null

2015年，EDF在Blayais核电站4号反应堆顶部蓄水箱的定期检验中，通过超声波测厚方法发现其厚度相较计算结果不足。利用力学分析的误差需求，我们得以检验存在厚度不足的情况的蓄水罐在压力和地震力下的结构耐久度。由于其它蓄水罐中也存在厚度不足的现象，2015年末，EDF的核反应堆结构与环境小组得到了工程运营部的支持，开始着手此项研究工作。

此项研究首先通过超声波测厚方法得到的蓄水罐厚度，并与BPVC规范中给出的名义厚度值作比较，再通过code_aster计算蓄水箱在压力和地震作用下的最小容许厚度。通过比较实测厚度、名义厚度和最小容许厚度，分析蓄水罐的耐久性。

完整模型建立
根据规范中给出的数据，我们在code_aster中建立了一个直径3.2米，高11米的蓄水罐，其中包括：三个圆柱环段；两个圆底罐端；支撑裙板；圈梁。

蓄水罐底部固定于混凝土基础上，各部位的厚度有所不同。

在划分有限元网格时，我们使用了两种单元：线性单元（TRIA3 & QUAD4，共55139个）和二次非线性单元（TRIA6 & QUAD8，共17019个）。

在模拟蓄水罐基础的非线性行为时，我们引入了DIS_CHOC法则来模拟结构的接触-摩擦现象。DIS_CHOC是一种基于惩罚函数法的摩擦函数，可分析单轴拉力或压力下的接触关系以及剪力作用下的库伦摩擦力。在此前提下，模型考虑了结构的轴向与切向刚度以及库伦摩擦力法则。

结构通过预应力锚固装置与混凝土基础相连。在模型中，我们用具有轴向刚度的拉-压弹簧模型来模拟锚固装置，每个装置的锚固力为426kN。

力学分析
对蓄水罐的力学分析包括静力荷载和地震作用两部分。

静力荷载包括结构自重（G）、静水压力（HP）、工作压力（SP）、试验压力（TP）和真空压力（VP），其中后三者为蓄水罐在不同工作条件下的三种压力工况，不同时出现。根据蓄水罐中的压力情况，我们确定了三种荷载组合，分别是G+HP+SP，G+HP+TP和G+HP+VP。

等效质量模型被用于考虑蓄水罐内液体的动力学行为。质量的重分布基于Housner理论，在蓄水罐的刚性和柔性区域，液体由脉冲型质量代替；在蓄水罐底部，液体为对流型质量。

考虑地震惯性力与流体动力效应时，我们引入一等效静力（E），对应的荷载组合为G+HP+SP+E。计算此等效静力的步骤如下：

利用模态分析评估完全平方组合（CQC）加速度
利用CQC加速度和Housner理论计算惯性力和冲击力
应用code_aster中CREA_TABLE，CREA_CHAMP和AFFE_CHAR_MECA函数将节点力组合并作用于结构上
null

基于以上结果，我们将计算极限荷载以优化蓄水罐两端凸面和罐壁的厚度，具体方法包括：

使用未知力的连续法（\\\'FIXE_PILO\\\'）
给定位移的荷载控制（\\\'DDL_IMPO\\\'）
考虑大位移（\\\'GROT_GDEP\\\'）和二次非线性网格（\\\'COQUE_3D\\\'）
理想弹塑性状态（\\\'VMIS_CINE_LINE\\\'）
null

结果与后处理
在线性分析中，我们观察到部分结构的应力超过了限值，但相较于结构尺寸仅存在于较小的范围之内。在非线性分析中，我们得到了结构的Von Mises屈服面和结构的应变情况。

通过不断优化力-位移响应曲线，结合材料的应力与应变限值，我们得到了蓄水罐各部位的最小容许厚度，其与规范中规定的对应名义厚度列于下表中。可以观察到，对于蓄水罐中的大多数部件，二者之间存在较大差距，规范中给出的名义厚度从力学角度偏于保守。

而后，我们再将计算得到的最小容许厚度与实测值比较，观察到蓄水罐绝大部分位置的厚度均满足最小容许厚度要求。对于唯一一处例外值，我们将实测值作为初始参数导入模型，通过与计算最小容许厚度时同样的方法证明了结构整体的各项力学指标处于限值之内。

结语
尽管Blayais核电站4号反应堆顶部蓄水罐的实测厚度小于BPVC规范中规定的名义厚度，但作为一部发行时间较早、设计理念偏保守的规范，BPVC规范中给出的数值往往偏大，实际结构的厚度往往已满足力学需要。为此，EDF相关部门利用code_aster对蓄水罐的最小容许厚度进行了分析与优化，并最终证明此蓄水罐的厚度满足在目标荷载组合下的受力要求。

同时，此项研究对code_aster中用于定义摩擦接触的\\\'DEFI_CONTACT\\\'功能做出了几处优化，具体表现为：

提高了解决单面接触算法的鲁棒性
提高了LAC方法的计算性能
通过简化数据使管理摩擦接触力更加简易
null

详细内容可打开下面链接了解
https://mp.weixin.qq.com/s/oVPkSKD_MkyTsALlLxlM6g

更多资讯可登录格物CAE官方网站https://cae.yuansuan.cn/
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1楼2021-07-30 13:06:37

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chenhuanlong

新虫 (文学泰斗)

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yeah

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2楼2021-07-31 15:26:10

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nono20093楼

2021-08-01 17:36 回复

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梅妆檀林4楼

2021-08-12 10:58 回复