csmirt20060应用物理压力容器顶盖接管过盈配合的有限元分析与实验研究v21试验及方法

稿件编号：CSMIRT20-1，1,2，1，1，张1，1（1.中 应用物理， 中国大学，：钍基熔盐堆仿真实验平台(TMSR-S0)压力容器上的多种仪控和设备接管是通过过盈配合及焊接的方式安装在顶盖上的。顶盖的设计温度为350oC，顶盖及接管要在此温度下长期工作。为确保接管结构的安全性和连接的可靠性，本文利用Anysorkbench对不同过盈量的接管结构进行了应力分析和评定，并计算了各个过盈量下接管结构的轴向最大承载能力，同时设计实验，对结构在常温下和350oC下的轴向承载能力进行了实测，与计算结果进了比对和校核。分析和实验结果表TMSR-S0压力容器的顶盖接管结构设计能够满足ASME规范的安全限值要求，且具有足够的轴向承载能力。：钍基熔盐堆；过盈配合；压力容器顶引钍基熔盐堆仿真实验平台(TMSR-SF0)是中国先导专项-钍基熔盐堆核能系统[1]的重要成果之一。TMSR-SF0装置的安装、调试和运行将为钍基熔盐堆核能系统提供大量有价值的工程经验和运行数据，并为正在实施中的钍基熔盐液态堆（TMSR-L1）提供必要的工程参考和验证实例。主容器是TMSR-SF0装置的部件，其1。主容器顶部的平顶盖上开120mm34mm。这种连接方式除了提供基本的接管导向和对350oC的设计温度200kg的设备重量。文选取外径34mm，设计过盈量为0.02/0.04mm的接管，首先采用弹塑性力学方

AnsysWorkbench软件，采用有限元方法34mm350oC下的最图1TMSR-SF0主容器及顶盖结构示顶盖接管极限承载能力分析TMSR-SF0的压力容器顶盖和顶盖接管均304LN不锈钢制成，304LN的材料属性见表1。顶盖及接管的设计温度为350oC。本节将分别用弹塑性力学方法和有限元法方法对基金项目：中 先导专项：钍基熔盐堆核能系统 作者简介：(1986-)，男，壮族，广西武鸣人，工程师，，现主要从事结构力学分析与实验研究。E-mail:huacha 1触问题，具有非常显著的非线性[4][5][6]。本节 于ANSYSWorkbench软件，采用拉格朗日算法对顶盖接管过盈连接结构进行建模分析考虑到接管为中心对称，因此建模时取304LN（材料参数见表1。有限元模型如图34接管-33接管结构的有限元模型和载荷与边有限元模型的单元数量为336.56万，节

温 1/4接触 力

力KN过盈量根据设计值，分别取0.02mm和0.04mm。由于选取1/4模型1/4

模型的截取面上设置对称边界条件，在顶盖模型的底部设置位移约束，Z向（即接管轴向）位移约束为零，X/Y向（即接管径向）设为自由。41/4垂直，与X/Y轴（即接管径向）的夹角均为管的轴向最大承载能力，如表3所示：

1.3理论方法与有限元方法的对比与讨论4所示。从表中可知，接管的5%以内，说明两种方法的计算结果是可靠350oC的结果，发现在高温下，材料的弹性195MPa降至过盈量

4最大承载能力温度顶盖接管极限承载能力的实验验证为进一步验证顶盖接管过盈连接结构最

和接管的实际结构设计，本文设计并执行了TMSR-SF0顶盖接管极限承载能力实验实验设备与方案试验机对顶盖接管试件进行室温/350oC环境下的轴向加载测试，测得试件在室温/350oC环境万能材料试验机为Insron-1000HDX，所能施加的最大载荷为1000KN。该试验机经检定，且在计量有效期内。高温箱及温控柜是定制品，其内部温度可升至500oC，高温箱的箱

验设5所示。实验共准备了4组试件，试件的外形尺具体参数和实验分组情况见表5。

径径* 6

350oC温度后，使用试验机进行加载测试，并测得试件的力-位移曲线。实验原理图见图7。室实验结果实验测得的4组试件的力-位移曲线如图12加压工装345试验机底12345加热6722468 cement/8接管试件力-（MaxLoad均大于45KND34-20-2#最大，为1418KN，D34-C20-1#次之，为104.9KN，而两组高温试件的最大承载能力较之室温试件有较大程度的下降，D34-C350-2#的最大承载能力为87.5KND34-C350-1#仅为47.9KN

D34-C20-1#、D34-C20-2#和D34-C350-1#这摩擦，而是不断的重复“加载-错动下跌”循环，其加载曲线由此呈现为不规则的锯齿状。D34-C350-2#的方锯齿曲线可能是由于试件加工精度问题，局部圆度较差导致其在加载过程中无法形成较为稳定的摩擦副所致。分析与讨论由于试件加工精度所导致偏差，使得实验试件的尺寸与设计尺寸之间存在一定的偏差，为比较计算结果与实验结果，基于实际的试件尺寸采用理论方法重新计算了试件的最大承

载能力，并将其与实测值进行比对，如表66可知，实验测得的最大承载能力数能力D34-C20-1#的承载能力的比值为0.033/0.023=1.352；D34-C350-2#6 拔出力/KN(摩擦系 取 但就具体的承载力计算数值而言，虽然考虑了试件尺寸变化因素，室温的实验结果却规整的稍高于理论解的上限，而350℃的实验结果(1)-(5)可知，δ、d、E1、μ1、d1、E2、μ2、d2、l、η这几[3]进行取值的，其余参数均已按实际试件尺寸进行了修正。由此可推断，实测最大承载能力与理论解的偏差是由于摩擦系数的取值确造成的。摩擦的影响因素非常复杂，材料、润滑、温

面状态、安装方式和实验条件等因素均一致因此室温（25oC/高温组（350oC两大组试件各自的实测/理论值偏差的主要影响因素是温度。根据参考文献[8][9]的研究，钢-钢摩擦副的摩擦系数一般随温度的升高而下降，亦即在表6数取得偏小，而高温组的计算中摩擦系数可能/理论(1)计算得到的接触压力p是准确的，则可利用式(4)计算得到实验条件下接管-顶盖这一对304LN摩擦副的摩擦系数：室温时约为018，而温度升至350oC时，摩擦系数降为0126。综上可知，本次接管极限承载实验较验结果共同证明TMSR-SF0顶盖接管的过盈连接结构能够满足设计要求，具有较强的承载能力和承载裕量。结本文通过理论、有限元和实验方法证明了TMSR-SF0顶盖接管的过盈连接结构具有较强的承载能力和承载裕量，满足设计要求，具体结论如下：不低于45KN的轴向载荷，远大于其实际的参考文献：江,徐洪杰,戴志敏.未来先进核裂变——TMSR核能系统.中国院[J],2012,

徐秉业,刘信声.应用弹塑性力学[M].大学,1995.:中国化管理.GB/T5371-2004极限与配合-过盈配合的计算和选用[S].:中国标准,2005.:李凯,祝宝山,王宏.高温气冷堆主氦风机叶轮过盈配合有限元分析[J].核动力工程,2014,熊光明.控制棒驱动机构过盈配合有限元分析,,张杰,韩传军.轴向载荷下空心轴的过盈连接力学特性[J].大学学报工程科学版,2013,刘宝庆.过盈联接摩擦系数的理论及试验研究大连理工大学A.Pauschitz,MansihRoy,F.Fr