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模块式小型堆主泵接管应力分析及结构优化

作　者: 王超群
导　师: 柴建设；王庆；张春明
学　校: 首都经济贸易大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: ANSYS 核电站主泵接管应力分析结构优化
分类号: TL353
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

核能是人类历史上的一项重大的发现，核能的利用和发展加快了社会和经济的发展，满足了发展对能源的需要。由于核电站事故危害的严重性，核安全和核能和平利用已经成为人们日益关注的话题。因此，确保核电能源的发展和使用，可以优化我国能源产业结构，落实可持续发展道路的战略要求，同时对增强国家综合国力，具有非常重大的意义。反应堆压力容器事故引发的核安全问题日益增多，主泵接管与压力容器筒体连接部位是反应堆压力容器的薄弱环节，也是评价其安全性的关键部位。所以，在研究反应堆压力容器的安全问题时必须对主泵接管与筒体相接触位置的应力分布规律进行重点分析和研究，从而保障核电站压力容器在服役期间安全可靠的运行。主泵接管是核电站压力容器与主泵之间连接纽带，从而形成一个完整的回路。在核电站的主要作用是输送流体和热量。主泵接管与筒体连接处的开孔削弱了压力容器筒体壁的强度和刚度，还会在开孔孔口周围发生应力集中现象，其峰值应力甚至高达压力容器薄膜应力的10倍以上。在开孔部位周围还要受到压力、螺栓力、自重、弹簧力、接管载荷和运行基准地震（OBE）等主要的设计机械载荷，这使得开孔区域附近应力分布规律相当复杂，对模块式小型堆主泵接管进行应力分析和安全评定是具有重要意义的。目前，ANSYS软件在压力容器应力分析和设计中应用广泛且技术较为成熟，在国内外已经取得了良好的实践效果，但是在核电站应力分析和设计中，其应用仍处于起步阶段。本文先对模块式小型堆基于第一类基准工况进行了力学分析，运用ANSYS软件对模块式小型堆主泵接管进行数值模拟计算，将计算结果进行应力线性化处理，然后根据RCC-M规范中的O级准则对其进行安全评定，最后将ANSYS与workbench进行了相互比较，分析了两种方法在建模、划分网格和分析计算时的优缺点。并将计算结果进行比较，分析误差表明两个结果之间的误差在容许范围以内。为第五章引入workbench研究主泵接管结构优化设计奠定了分析基础。通过对主泵接管进行优化设计，降低了最大等效应力值，减小模型尺寸和重量，节省了原材料。不仅提高了设备的经济性和安全性，还有效地降低核电站压力容器发生事故风险。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 引言  9-14
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 压力容器接管的研究进展  10-13
    1.2.1 薄壳理论解  10-11
    1.2.2 有限元解  11-12
    1.2.3 试验研究  12-13
  1.3 论文的主要研究内容及技术路线  13-14
2 模块式小型堆简介  14-20
  2.1 世界核电发展概况  14
  2.2 我国核电发展概况  14-15
  2.3 模块式小型堆(ACP100)简介  15-19
    2.3.1 模块式小型堆概述  15-16
    2.3.2 开发背景和应用目标  16-17
    2.3.3 主要特点  17-18
    2.3.4 模块式小型堆的优势  18-19
  2.4 核安全  19
  2.5 本章小结  19-20
3 压力容器开孔接管的分析设计理论  20-24
  3.1 压力容器设计原则  20
  3.2 应力分类及应力评定  20-24
    3.2.1 应力分类  20-22
      3.2.1.1 一次应力  21
      3.2.1.2 二次应力  21
      3.2.1.3 峰值应力  21-22
    3.2.2 主泵接管附近的应力分析  22
    3.2.3 应力强度评定方法  22
    3.2.4 强度评定理论  22-24
4 主泵接管应力分析及安全评定  24-38
  4.1 反应堆压力容器主泵接管结构简介  24-25
  4.2 有限元结构模型  25-30
    4.2.1 有限元法的基本思路  25-26
    4.2.2 ANSYS 软件简介  26-27
    4.2.3 选择单元类型及材料特性  27-28
    4.2.4 主泵接管主要尺寸及材料  28-29
    4.2.5 网格划分  29-30
      4.2.5.1 网格划分所遵循的原则  29-30
      4.2.5.2 网格划分  30
  4.3 边界条件与载荷  30-32
    4.3.1 设定位移边界条件  30-31
    4.3.2 应力分析  31-32
  4.4 结果与安全评定  32-35
    4.4.1 结果  32-33
    4.4.2 安全评定  33-35
  4.5 结论  35
  4.6 ANSYS 与 Workbench 计算结果的对比  35-37
    4.6.1 workbench 有限元计算模型  35
    4.6.2 workbench 网格划分  35-36
    4.6.3 施加载荷  36
    4.6.4 结果  36-37
  4.7 本章小结  37-38
5 主泵接管优化设计研究  38-50
  5.1 优化设计概述  38-41
    5.1.1 优化设计理论  38-39
    5.1.2 优化设计数学理论  39
    5.1.3 Workbench 简介  39-41
  5.2 主泵接管优化设计方法与模型  41-43
    5.2.1 Design Explore 基础  41-42
    5.2.2 主泵接管优化设计数学模型  42-43
  5.3 主泵接管优化设计研究  43-49
    5.3.1 优化设计步骤  43-44
    5.3.2 设定优化参数  44-46
    5.3.3 敏感性分析  46-47
    5.3.4 优化设计结果  47-49
  5.4 本章小结  49-50
6 总结与展望  50-52
  6.1 主要结论  50
  6.2 未来展望  50-52
附录 A  52-56
致谢  56-57
参考文献  57-60
在学期间发表的学术论文  60
科研项目  60-61

模块式小型堆主泵接管应力分析及结构优化

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