【摘要】：在核電站的安全評價中,裂紋一般假定出現(xiàn)在反應堆的核心區(qū)。然而,反應堆壓力容器(RPV)器壁中也會產(chǎn)生高的應力。承壓熱沖擊(PTS)使RPV的完整性面臨極大的挑戰(zhàn),特別是位于進水管噴嘴周圍的環(huán)帶區(qū)。裂紋一旦萌生于此,其周圍的應力集中很可能引起材料屈服、裂紋擴展,最終引發(fā)巨大的災難。因此,RPV的斷裂分析已成為核工業(yè)中的一個重要課題,且有必要重點研究一下PTS對含缺陷RPV的極限承載力的影響。現(xiàn)行的PTS分析方法多數(shù)基于線彈性及小范圍屈服的假定,而有關(guān)裂紋擴展行為及RPV結(jié)構(gòu)的極限承載力方面的研究甚少。尤其當瞬態(tài)溫度明顯高于無延性轉(zhuǎn)變溫度時,模擬RPV中的熱-力耦合場需考慮非線性的彈塑性材料性能。文中將與溫度相關(guān)的材料的應力應變關(guān)系引入Ramberg Osgood數(shù)值模型中,擬合得到基體和堆焊層材料的應力應變曲線。鑒于含缺陷RPV在PTS承載狀態(tài)下的試驗及安全測試工作是相當困難和危險的,借助ABAQUS有限元軟件建立起3D含表面裂紋的RPV分析模型,同時考慮到熱力載荷的加載歷史。對于較高和較低的無延性轉(zhuǎn)變溫度,分別采用彈性、彈塑性框架進行力學分析。本文的主要工作和成果如下:1.建立起三維RPV筒體區(qū)和噴嘴區(qū)有限元模型,通過將位移向量、溫度及時間變量進行離散化處理得到熱-力耦合場的全離散方程的通用形式,并借助ABAQUS有限元軟件,由Newton Raphson迭代法得出模型各瞬態(tài)的耦合應力應變場。根據(jù)法國FIS預測公式和美國RG 1.99 Rev.2公式,并結(jié)合10 CFR 50.61法規(guī),計算得到不同的無延性轉(zhuǎn)變溫度RT_(NDT),分別作為脆性、延性斷裂的參考溫度。2.為檢驗模型的準確性,首先將無缺陷筒體區(qū)熱分析及應力分析的結(jié)果與多國研究機構(gòu)得到的結(jié)果進行比較,顯示出較好的一致性。采用不同的熱-力耦合方法,分別對RPV的筒體區(qū)及噴嘴區(qū)中的各瞬態(tài)應力分量進行分析。結(jié)果表明應用直接和間接耦合法得到的數(shù)值結(jié)果吻合,同時揭示出最可能產(chǎn)生I型裂紋,尤其是位于噴嘴口上、靠近容器內(nèi)表面的位置。將初始溫度下由有限元法得到的裂紋尖端區(qū)域應力值與理論部分各解析解進行對比,得到了與J-Q-T_z三參數(shù)解較為一致的結(jié)果。3.在PTS載荷作用下,使用相互作用積分法提取出裂紋尖端的瞬態(tài)應力強度因子,并與計算得到的斷裂韌性曲線進行比較。對于脆性、延性斷裂,分別建立起不同的損傷演化模型,使用修正的擴展有限元法(XFEM)對裂紋的擴展過程進行模擬,以避免產(chǎn)生網(wǎng)格閉鎖現(xiàn)象。針對噴嘴區(qū)這個薄弱環(huán)節(jié),分析得出PTS峰值應力作用下,不同容器壁厚對應的各臨界裂紋尺寸。通過網(wǎng)格細化,將由較小的單元尺寸得到的結(jié)果與原單元尺寸得到的結(jié)果進行一致性對比,來檢驗計算的精度。4.建立包含筒體區(qū)和噴嘴區(qū)的完整的RPV有限元模型。對不同位置、尺寸和形狀裂紋的擴展規(guī)律,以及它們對結(jié)構(gòu)極限承載力的影響進行了定量和定性分析。參考不同的無延性轉(zhuǎn)變溫度,由延性斷裂分析得到的噴嘴區(qū)對結(jié)構(gòu)承載力的影響范圍明顯小于脆性斷裂分析的結(jié)果。本文主要對RPV結(jié)構(gòu)進行了彈塑性斷裂失效分析。由于目前國內(nèi)外缺少有關(guān)RPV在PTS下的斷裂失效的試驗數(shù)據(jù),本研究進行的一些原創(chuàng)性工作可為熱-力耦合場中含缺陷RPV的安全和可靠性評估提供重要參考。
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM623;TL351.6
【圖文】：

第 2 章 材料本構(gòu)模型及斷裂分析方法按照塑性流動法則，屈服函數(shù)和勢函數(shù)是相同的。因此，在這種情況下的彈陣 epD 是對稱的。裂紋萌生及擴展判據(jù)對材料失效的完整描述包括宏觀裂紋的萌生及擴展過程。裂紋很可能在空間生，因此搜索裂紋起始點的工作將在構(gòu)成域邊界的單元節(jié)段中進行。如圖 2-1獲取裂紋起始點，采用最大主拉應力準則[46,47]，選擇較高應力區(qū)的單元，目于域邊界位置的點。裂紋起始點對應于邊界上最大主應力超過材料強度的點定之后，接下來將應用裂紋擴展算法。分析中，裂紋擴展方向圍繞起始點在進行搜索。

XFEMtipHeu u u分別代表與裂紋尖端不連續(xù)場相關(guān)的位移，以及與 Heaviside 不應當指出的是，XFEM 中區(qū)域的幾何離散方法同傳統(tǒng)的有限元方的單元內(nèi)，Heaviside 間斷函數(shù)為： 1()01()0xxx H函數(shù) x定義為到它在裂紋面上的投影點的距離（參考圖 2-2） Γx x d nΓd x x為裂紋在Γx 點的單位法向量。彈性斷裂問題，Heaviside 間斷函數(shù)漸進場可以表示為： iiNiHeNHHeu xxa

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 初起寶;劉維平;馬靜嫻;李海龍;;田灣核電站反應堆壓力容器承壓熱沖擊分析[J];原子能科學技術(shù);2015年09期

2 李忠獻;陳宇;李寧;;基于材料損傷的鋼筋混凝土構(gòu)件損傷模型[J];工程力學;2014年06期

3 曹明;賀寅彪;張萬平;黃慶;;承壓熱沖擊下材料特性對反應堆壓力容器結(jié)構(gòu)完整性的影響[J];原子能科學技術(shù);2008年S2期

4 李承亮;張明乾;;壓水堆核電站反應堆壓力容器材料概述[J];材料導報;2008年09期

5 牛莉莎,葉紅光,施惠基;承壓熱沖擊對核壓力容器強度的影響[J];核動力工程;2001年03期

本文編號：2740777