【CAE案例】使用code_aster进行蒸汽发生器密封盖螺栓的受力分析

应用背景

核反应堆蒸汽发生器密封盖是由螺栓在环形支撑面固紧的一种临时密封装置，用于停堆维护时隔绝反应堆一回路与蒸汽发生器水箱。临时安装在蒸汽发生器中的密封盖根据反应堆运行状态不同需承受1.5bar（正常运行）至5bar（事故情况）不等的水压。压力载荷测试是评估组件耐久性的常用方法，但无法模拟组件磨损或螺栓松动等多种异常情况。

螺栓的受力分析为评估密封盖耐久性提供重要依据。然而密封盖结构复杂，螺栓由较小的孔道拧入蒸汽发生器时存在摩擦和挤压等非对称载荷，并且在载荷较大时，结构可能出现塑性形变。因此无法对简化的轴对称螺栓固定环模型直接计算受力情况，需要通过仿真得到精确结果。解决方案研究螺栓的受力需要为螺栓和环形支撑面之间的密封圈设置合适的本构模型。code_aster 的MACR_RECAL命令提供的参数拟合功能可以根据供应商给出的密封圈加载实验曲线拟合超弹模型参数（如图2）。其他合金件使用各向同性硬化的弹塑性本构模型。

螺栓预紧力（~35kN）通过施加温度场产生螺栓轴向收缩来实现，具体温度值也可以利用MACR_RECAL功能根据螺栓额定应力迭代计算。密封盖组件之间设定为无摩擦单边接触。由对称性取四分之一模型进行计算。除螺栓之外其他组件设定大扭转和大变形。设定时间步使外部压力载荷由0bar上升到5bar。

同时这项研究分析不同的螺栓预紧力对弯矩离散程度的影响。基于有限基底投影原理，可以选取一定数量的预紧力覆盖全部变化范围（选取100个即可），随后计算在不同压力载荷下六个螺栓的弯矩进行统计学分析（如图3）。

结果

这项研究的结果表明，模型中的六个螺栓受力趋于一致，且采用超弹模型和完整的密封盖组件模型得到了数值更小的螺栓弯矩（如图4），对于评估支撑环面焊接耐久性有重要参考价值。这项研究发现每个螺栓的在不同预紧力下的弯矩离散程度随压力载荷增大而降低，其中靠近密封盖加固件的螺栓弯矩离散程度最小（如图5）。

结论

这项研究可用于评估多种压力载荷下蒸汽发生器密封盖螺栓以及环形支撑面焊接耐久性，理想的螺栓受力应足够均匀。

结果表明目前核岛蒸汽发生器使用的密封盖不同螺栓受力情况仍没有达到一致，因此未来蒸汽发生器密封盖将被一种新型的被动连接件取代，从而得到更加均匀的螺栓受力分布。

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