一种反应堆压力容器密封结构三维数值模拟方法与流程

[0001]
本发明涉及反应堆结构设计技术领域，具体涉及一种反应堆压力容器密封结构三维数值模拟方法。


背景技术：

[0002]
反应堆压力容器是反应堆一回路冷却剂压力边界的重要组成部分，用于装容整个堆芯和高温高压的冷却剂，阻止放射性物质的泄漏，因此反应堆压力容器必须设置密封结构，并且保证在整个寿期内不会发生密封失效。反应堆压力容器密封结构包括上下法兰密封面、主螺栓及密封元件，c形密封环是目前主要使用的密封元件之一。
[0003]
由于反应堆压力容器密封结构相对复杂，目前主要通过试验方法和数值计算方法对其密封性能进行研究，其中试验研究一般耗费大量的人力、物力、财力，并且往往由于试验条件的限制，很难获得变形及应力分布等数据，从而影响密封性能的评价；而目前针对反应堆压力容器密封结构的数值模拟计算方法通常引入了大量的简化条件，比如建立二维计算模型、忽略密封环的具体结构而代之以恒定的作用力，因此不仅大大增加了计算误差，同时无法获得密封环在密封结构中的密封行为，既影响密封结构的性能评价，又不能实现密封环的特性分析。


技术实现要素：

[0004]
本发明提供了一种反应堆压力容器密封结构三维数值模拟方法，解决了现有技术存在的密封性能的评价不准确的问题，相比于现有技术中只针对理想工况，本发明中的方法可以进行实际运行工况的模拟，可以获得更真实的c形密封环的密封行为，同时可以获得密封结构的密封面在c形密封环的作用下的变形及应力分布等情况。
[0005]
为了解决该技术问题，本发明提供了如下技术方案：
[0006]
带c形密封环的反应堆压力容器密封结构三维数值模拟方法，包括以下操作步骤：
[0007]
步骤1、建立反应堆压力容器密封结构的三维实体模型，所述三维实体模型由顶盖法兰、筒体法兰、主螺栓、c型密封环组成；
[0008]
优选的，所述三维实体模型建模时，取沿反应堆压力容器周向角度为π/n进行建模，n为主螺栓数量，模型中包括1/2根主螺栓。
[0009]
由于反应堆压力容器为旋转对称结构，为了提高计算效率，建模时取沿反应堆压力容器周向角度为π/n进行建模。
[0010]
步骤2、对三维实体模型进行有限元网格划分，对c型密封环及其与顶盖法兰、筒体法兰密封面接触区域采用局部网格加密技术；
[0011]
优选的，所述网格划分采用高阶实体单元solid95二十节点六面体单元，c形密封环与顶盖法兰、筒体法兰密封面接触区域的网格自c形密封环由近至远由密变疏。
[0012]
为了提高计算效率，对密封结构的关键部位：即密封环与密封面接触区域，采用局部网格加密技术，既达到计算精度，又提高计算效率。
[0013]
步骤3：设置密封结构三维实体模型的材料本构关系，将c型密封环设置为弹塑性区域，而密封结构的顶盖法兰、筒体法兰、主螺栓设置为弹性区域；
[0014]
步骤4：在三维实体模型中进行接触设置，并通过调整实常数和关键字参数来保证收敛性及计算效率；
[0015]
优选的，在进行接触设置时，面-面接触单元采用contal174，目标单元采用targe170。
[0016]
允许各部件之间产生接触、分离以及相对滑动，设置相应的摩擦系数，接触类型为standard，结构间的摩擦系数均设置为0.3；
[0017]
步骤5：施加载荷及约束条件，模拟主螺栓预紧、升降压工况，计算分析不同工况下密封结构的密封性能以及密封环的密封行为。
[0018]
优选的，两侧剖面上施加对称载荷。
[0019]
由于反应堆压力容器为旋转对称结构，为了提高计算效率，建模时取沿反应堆压力容器周向角度为π/n进行建模，截断面上施加对称边界。
[0020]
本发明和现有技术相比，具有以下优点：
[0021]
相比于现有技术中只针对理想工况，本发明中的方法可以进行实际运行工况的模拟，可以获得更真实的c形密封环的密封行为，同时可以获得密封结构的密封面在c形密封环的作用下的变形及应力分布等情况。
[0022]
建模时取沿反应堆压力容器周向角度为π/n进行建模，提高计算效率。
附图说明
[0023]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0024]
图1为本发明结构示意图；
[0025]
图2为本发明结构示意图；
[0026]
图3为本发明预紧条件下的变形及应力分布图；
[0027]
图4为本发明加内压条件下的变形及应力分布图。
具体实施方式
[0028]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0029]
实施例
[0030]
如图1-4所示，带c形密封环的反应堆压力容器密封结构三维数值模拟方法，包括以下操作步骤：
[0031]
步骤1、建立反应堆压力容器密封结构的三维实体模型，所述三维实体模型由顶盖法兰、筒体法兰、主螺栓、c型密封环组成；
[0032]
优选的，由于反应堆压力容器为旋转对称结构，为了提高计算效率，建模时取沿反应堆压力容器周向角度为π/n进行建模，n为主螺栓数量，模型中包括1/2根主螺栓(如图1)。
[0033]
步骤2、对三维实体模型进行有限元网格划分，对c型密封环及其与顶盖法兰、筒体
法兰密封面接触区域采用局部网格加密技术；
[0034]
优选的，所述网格划分采用高阶实体单元solid95二十节点六面体单元，c形密封环与顶盖法兰、筒体法兰密封面接触区域的网格自c形密封环由近至远由密变疏。
[0035]
为了提高计算效率，对密封结构的关键部位：即密封环与密封面接触区域，采用局部网格加密技术(如图2)，既达到计算精度，又提高计算效率。
[0036]
步骤3：设置密封结构三维实体模型的材料本构关系，将c型密封环设置为弹塑性区域，而密封结构的顶盖法兰、筒体法兰、主螺栓设置为弹性区域；
[0037]
步骤4：在三维实体模型中进行接触设置，并通过调整实常数和关键字参数来保证收敛性及计算效率；
[0038]
优选的，在进行接触设置时，面-面接触单元采用contal174，目标单元采用targe170。
[0039]
允许各部件之间产生接触、分离以及相对滑动，设置相应的摩擦系数，接触类型为standard，结构间的摩擦系数均设置为0.3；
[0040]
步骤5：施加载荷及约束条件，模拟主螺栓预紧、升降压工况，计算分析不同工况下密封结构的密封性能以及密封环的密封行为。
[0041]
优选的，两侧剖面上施加对称载荷，由于反应堆压力容器为旋转对称结构，为了提高计算效率，建模时取沿反应堆压力容器周向角度为π/n进行建模，截断面上施加对称边界。
[0042]
如图3-4，为采用本发明中的方法所获得的c形密封环及密封面的变形及应力分布情况，上述结果是现有技术所不能获得的。本发明中的方法可以进行实际运行工况的模拟，可以获得更真实的c形密封环的密封行为；同时可以获得密封结构尤其是是密封面在c形密封环的作用下的变形及应力分布等情况。
[0043]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。