搜索基于ANSYS 的核電廠安全殼結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析
2016-11-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
我國已建核電廠安全殼均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)。安全殼結(jié)構(gòu)的主要用途是屏蔽
發(fā)生基準(zhǔn)失水事故時(shí)產(chǎn)生的輻射物質(zhì),防止外物的襲擊等,具有承受內(nèi)壓并不出現(xiàn)混凝
上裂縫的能力。為保證安全殼正常運(yùn)行,在啟動(dòng)反應(yīng)堆前,須進(jìn)行整體性能試驗(yàn),試驗(yàn)
最高壓力一般為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壓力的1.15 倍,同時(shí)對(duì)安全殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)吻合分析和極限
承載能力驗(yàn)算。在內(nèi)壓作用下是否安全,是安全殼設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,有必要通過實(shí)驗(yàn)和理論
計(jì)算進(jìn)行研究。
鋼筋混凝土性質(zhì)復(fù)雜,材料非線性與幾何非線性常同時(shí)存在,用傳統(tǒng)的解析方法來
分析與描述則非常困難。然而,近幾十年來有限元作為一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)值分析工具,在
鋼筋混凝土非線性分析中顯示出越來越強(qiáng)大的實(shí)用性與方便性。以福清核電廠5、6 號(hào)
機(jī)組內(nèi)層混凝土安全殼結(jié)構(gòu)為工程實(shí)例,采用整體式模型(帶筋的SOLID65),在ANSYS
中進(jìn)行非線性有限元分析。
2.1 單元類型的選取
SOLID65 單元用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實(shí)體模型。該實(shí)體模型可具有拉裂與
壓碎的性能。在混凝土的應(yīng)用方面,如用單元的實(shí)體性能來模擬混凝土,而用加筋性能
來模擬鋼筋的作用。當(dāng)然該單元也可用于其它方面,如加筋復(fù)合材料(如玻璃纖維)及
地質(zhì)材料(如巖石)。該單元具有八個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度,即x,y,z 三個(gè)
方向的線位移;還可對(duì)三個(gè)方向的含筋情況進(jìn)行定義。
本單元與SOLID45 單元(三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元)的相似,只是增加了描述開裂與壓
碎的性能。本單元最重要的方面在于其對(duì)材料非線性的處理。其可模擬混凝土的開裂(三
個(gè)正交方向)、壓碎、塑性變形及徐變,還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變,
但不能模擬鋼筋的剪切性能。有關(guān)SOLID65 單元的更細(xì)節(jié)的描述請(qǐng)參見《ANSYS 理論
手冊(cè)》。
2.2 本構(gòu)關(guān)系
在用ANSYS 對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土作有限元分析時(shí),混凝土單元需要定義破壞準(zhǔn)則
和本構(gòu)關(guān)系。ANSYS 中CONCRET 材料采用的是Willam-Wamker 五參數(shù)破壞準(zhǔn)則的本
構(gòu)模型,該模型能很好的模擬SOLID65 單元。在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼筋處于
單軸受力狀態(tài),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相對(duì)比較簡(jiǎn)單,本文用ANSYS 模擬鋼筋單元采用雙折線
型本構(gòu)關(guān)系和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則(BKIN)。
混凝土單軸抗壓強(qiáng)度取為50MPa,單軸抗拉強(qiáng)取為4MPa,彈性模量取為 3.50×
104MPa。其等效力-等效塑性應(yīng)變關(guān)系如圖2 所示。
當(dāng)混凝土壓應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變u ε 時(shí),混凝土壓碎,退出工作。由于為非約束混
凝土,極限壓應(yīng)變?nèi)?300×10?6。
混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用雙線性模型,通過輸入軟化模量Es 定義其受拉軟化
行為,如圖3 所示。采用彌散裂縫模型,當(dāng)某一單元應(yīng)力超過開裂應(yīng)力時(shí),采用調(diào)整該
點(diǎn)剛度模擬裂縫。
2.3 數(shù)值計(jì)算及收斂判據(jù)(CNVTOL)的設(shè)置
非線性有限元分析中,求解非線問題通常采用增量法、迭代法。增量法具有普遍的
實(shí)用性,能夠全面的描述荷載-位移整個(gè)過程的性態(tài),尤其適用于求解與加載路徑有關(guān)
的問題。迭代法使用簡(jiǎn)單,適合于分析全部荷載下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。ANSYS 求解非線性問
題一般采用增量的牛頓-拉夫遜方法。在ANSYS 對(duì)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土做
有限元分析時(shí),當(dāng)用力范數(shù)來控制非線性迭代過程的收斂時(shí),其迭代方程式如下:
[KT ]{Δu} = {ψ}?{ψr} (1)
當(dāng)采用位移范數(shù)來控制非線性迭代過程的收斂時(shí),其迭代方程式如下:
用ANSYS 來分析鋼筋混凝土?xí)r,計(jì)算收斂是比較閑難的,其主要影響因素是網(wǎng)格
密度、子步數(shù)、收斂準(zhǔn)則和收斂精度等。網(wǎng)格密度、子步數(shù)的合適選取一般憑借工程經(jīng)
驗(yàn),對(duì)收斂精度而言,可考慮通過放寬收斂條件來加速收斂,ANSYS 默認(rèn)的收斂準(zhǔn)則
為1‰,一般可放寬到3%~5%。
3.1 安全殼模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
福清核電廠5、6 號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆廠房采用雙層安全殼,內(nèi)層安全殼穹頂采用橢球型,
通過環(huán)梁與呈圓柱形的筒壁連接。筒壁與穹頂均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土強(qiáng)度
等級(jí)為C50,設(shè)計(jì)壓力為0.42 MPa,設(shè)計(jì)溫度為145℃。內(nèi)層安全殼的內(nèi)徑為39 m,
壁厚為1 m(某些局部區(qū)域增厚),穹頂厚度是0.9m。內(nèi)外層之間的環(huán)形空間凈距為
1.8 m。內(nèi)層穹頂最高點(diǎn)與廠房底板之間的距離66.6 m。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用1860 級(jí)。安
全殼筒體上設(shè)有多個(gè)大小不等的貫穿件,建模時(shí)主要考慮了直徑約8.0 m 的設(shè)備閘門,
中心標(biāo)高20 m。
3.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)
模型建立和荷載分析采用ANSYS 軟件。內(nèi)層安全殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)公用-鋼筋混凝土
筏板式基礎(chǔ),基礎(chǔ)底板的厚度為5.5m,剛度較大,可假定安全殼固結(jié)在基礎(chǔ)底板上。
安全殼模型從基礎(chǔ)底板開始建立,基礎(chǔ)底板底面節(jié)點(diǎn)全部固定。
模型中采用SOLID65 單元模擬安全殼筒體、穹頂、扶壁柱等混凝土部分,用LINK8
單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼束,SHELL63 單元模擬設(shè)備閘門洞口處的貫穿件,beam 單元模擬扶
壁柱。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖所示,共68 068 個(gè)單元,84 840 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
3.3 計(jì)算步驟
安全殼的永久荷載主要包括:結(jié)構(gòu)自重、閘門重量、穹頂噴淋管道荷載、環(huán)吊自重
和混凝土的收縮徐變效應(yīng)。自重通過設(shè)置豎直方向重力加速度進(jìn)行加載。閘門自重通過
對(duì)洞口周圍節(jié)點(diǎn)施加集中力的方式將閘門重量均勻加到洞口周圍的節(jié)點(diǎn)上。
第一步:計(jì)算安全殼在白重作用下的應(yīng)力和變形;
第二步:施加預(yù)應(yīng)力,產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力變形;
第三步:施加內(nèi)壓。計(jì)算了0.2 MPa~1.0 MPa(間隔0.1 MPa)
設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壓力為0.42 MPa(相對(duì)壓力),試驗(yàn)壓力荷載取值為設(shè)計(jì)壓力的1.15 倍,
數(shù)值計(jì)算取值:0.50 MPa。
以下計(jì)算結(jié)果僅顯示了0.50 MPa 內(nèi)壓作用下的位移、應(yīng)變?cè)茍D。
4.1 位移
由圖5 可見,圓筒殼上的測(cè)點(diǎn)在內(nèi)壓0.5 MPa 時(shí),最大徑向位移2.89 mm。從圖6
可知,當(dāng)內(nèi)壓超過0.7 MPa,徑向位移有顯著增長(zhǎng);而位于半球殼的點(diǎn)在內(nèi)壓達(dá)0.8 MPa
后,徑向位移才有顯著增長(zhǎng)。1.5 m 至3.0 m 標(biāo)高范圍內(nèi)的徑向位移大于其它高度的徑
向位移,標(biāo)高2.0 m 左右的徑向位移最大;由此可知,圓筒殼比半球殼較早進(jìn)入塑性。
4.2 應(yīng)變
計(jì)算結(jié)果表明,增大內(nèi)壓后,筒體徑向應(yīng)變超過開裂應(yīng)變的區(qū)域分布在筒體底部設(shè)
備軸線兩側(cè)各45°左右圓心角范圍內(nèi);其余位置應(yīng)變較小,沒有達(dá)到開裂應(yīng)變。對(duì)于
易開裂的區(qū)域,在安全殼整體性和密封性試驗(yàn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),需特別關(guān)注。
模型結(jié)構(gòu)非線性有限元分析表明,福清核電廠安全殼結(jié)構(gòu)在基本荷載內(nèi)壓作用下是
安全的。
(1)在0.42 MPa 設(shè)計(jì)內(nèi)壓荷載作用下,安全殼結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。內(nèi)壓小于0.5
MPa 時(shí),模型結(jié)構(gòu)各截面環(huán)向、豎向均處于受壓狀態(tài);達(dá)到0.7MPa,部分截面開始受
拉。
(2)1.5 m 至3.0 m 標(biāo)高范圍內(nèi)的徑向位移大于其它高度的徑向位移,標(biāo)高2.0 m
左右的徑向位移最大;筒體徑向應(yīng)變超過開裂應(yīng)變的區(qū)域分布在筒體底部設(shè)備軸線兩側(cè)
各45°左右圓心角范圍內(nèi)。圓筒殼比半球殼較早進(jìn)入塑性,在安全殼整體性試驗(yàn)時(shí)應(yīng)
加強(qiáng)易開裂的區(qū)域的監(jiān)測(cè)。
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