罗有为 廖路 陈艺元 方杰 董仕杰 李敏 张智博
中国核动力研究设计院，四川 成都 610213
摘要:首先对临界装置围桶结构分析的必要性和特点进行了阐述，随后介绍了围桶的结构设计和材料设计。接着对围桶的结构开展有限元分析研究。最后针对围桶应力较大的情况，从增加内部环形加强筋和纵向加强筋这个方面对围桶开展结构优化设计，并对优化方案进行有限元分析研究。结果表明优化方案在受力情况上有了明显改善。对于大型薄壁结构，合理布置加强筋可以在性能和内部空间利用上实现平衡。
关键词：结构分析；有限元分析；应力；临界装置。
0 引言
某临界装置是开放式结构的轻水反应堆，在常温常压下运行。在临界装置上可开展燃料组件的多种布置方案，并对每一种方案开展测量并确定其临界特性，为校验理论计算提供可靠数据。围桶的作用是承载栅格板及其支承、燃料组件、铍组件、铝组件、各类导管和去离子水等，是临界装置的最终边界。为保证临界装置的运行安全，围桶需具备在地震工况下也能保持稳定的能力。围桶为核安全NC级设备，抗震要求为抗震Ⅰ类。围桶按照RCC-M 2000版+2002补遗[1]（以下简称RCC-M）的第4类工况的要求开展评定，第4类工况在RCC-M中的定义为“第4类工况是指一种极不可能出现的状况，但对于设备安全性所产生的后果应予以研究。不应因此类工况出现的概率太小而不予考虑。（注*这类工况和ASME规范中的“事故工况”相一致。）”
在设计过程中采用有限元分析方法，利用ANSYS程序计算了临界装置围桶地震载荷下的应力，并按照RCC-M的规定对该结构进行了评定。结果表明，围桶在指定载荷下的应力满足规范要求。
1 结构设计
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围桶为敞口型容器，桶身布置2个排水管与阀门连接，底部布置排水管与排水阀相连，围桶底部与钢制的平台焊接相连。围桶结构如图1所示，围桶主要技术参数如表1所示。
围桶结构设计内容如下：
（1）减轻围桶重量可使围桶底部的钢平台在抗震方面有更加优秀的表现，因此在开展围桶结构设计时通过减少桶身厚度实现减少重量的目的，综合考虑加工难易程度和热变形的影响后，桶身厚度设计为20mm；
（2）为满足实验需求，围桶外径尺寸设计为2200mm，高度为3000mm；
（3）在焊缝设计方面，围桶桶身采用钢板卷制而成，桶身总计布置一道纵向对接焊缝；桶身与桶底布置一道环形对接焊缝。
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2 材料设计
围桶设计寿命40年，为保证在长时间的运行过程中不产生锈蚀，围桶材质选择奥氏体不锈钢。由于围桶在常温常压下工作，因此选择的奥氏体不锈钢型号为06Cr19Ni10。进行应力分析时，材料参数如表2所示。
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3 应力分析
围桶参考RCC-M 1级设备的要求开展应力分析。根据RCC-M的规定，工况分为基准工况、第2、第3、第4类工况和试验工况。由于设备工作为常温常压，因此计算时不考虑试验工况。从基准工况到第4类工况，其破坏性逐步增大，进行应力分析时计算第4类工况的受力情况。
根据RCC-M B3150的规定，将材料特性参数输入应力计算公式中，得到薄膜应力限值为129MPa，薄膜+弯曲应力的限值为193.5MPa。
3.1 划分网格
围桶采用ANSYS进行网格划分，网格划分完毕后，网格节点178680个，网格单元48829个。围桶划分有限元模型如图2所示。
3.2 载荷与约束
对于围桶，各运行工况下的压力均为常压，因此无压力影响；各运行工况下的温度均为常温，因此无温度影响；施加在围桶底部的载荷为164100N，施加在2个桶身法兰上的载荷均为7000N，施加在桶底法兰上的载荷为2500N，施加在围桶底部及围桶内壁的压强均为为0.03MPa。综合考虑，围桶的载荷包括自重、外力、压强、SSE。
桶底部有6根槽钢与围桶平台焊接相连，约束其各方向运动。
载荷与约束图如图2所示。
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3.3 模态分析
使用ANSYS开展模态分析，模态分析中以水平面作为XY向，以竖直方向作为Z向，最终的计算结果是X方向的主振频率为113.272Hz，有效质量833.638kg；Y方向的主振频率为126.896Hz，有效质量2189.38kg；Z方向的主振频率为109.620Hz，有效质量5.848kg。由于设备的基准频率大于33Hz，根据核电厂抗震设计规范[2]的指导，在进行SSE分析时，可将其视为刚体并采用静力法对其进行分析计算。
3.4 重力分析
使用ANSYS程序计算围桶在重力下的受力情况。在重力作用下，围桶受到的最大的力为63.86MPa，出现在桶底正中心。
围桶重力分析应力图如图3所示。
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3.5 SSE分析
根据等效静力法，作用在设备质心的等效作用加速度为1.5倍的反应谱最大加速度，计算SSE时的等效作用加速度为：
1.5*Sn
在SSE下，围桶受到的最大的力为25.54MPa，应力最大值出现在桶身水管与桶身交汇处。
围桶SSE分析应力图如图4所示。
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3.6 第4类工况评定
使用ANSYS程序将重力分析结果和SSE分析结果叠加，得到第4类工况的有限元分析结果。在第4类工况下，围桶受到的最大的力为79.40MPa，该值出现在桶底正中心，此外桶身水管与桶身交汇处应力也较大。针对几处应力大值点进行应力线性化，可得出几个点的薄膜应力、薄膜+弯曲应力的值，数据内容如表3所示。将得到的数据与限值进行对比，应力大值点的薄膜应力、薄膜+弯曲应力均小于限值，围桶是安全可靠的。
围桶第4类工况应力图如图5所示。
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4 结构优化
由第4类工况评定的结果可知，围桶的结构强度虽然满足了要求，但是由于围桶壁厚较薄，其变形量较大，围桶底部的应力较大。为控制变形量并减少应力在某一点的过度集中，开展结构优化设计，在围桶重量变化不大的情况下，强化围桶结构。结构优化的具体方案为在桶身内部设置环形加强筋和纵向加强筋。环形加强筋数量为5道，纵向加强筋数量为10道。环形加强筋和纵向加强筋的厚度均为20mm。对优化方案开展第4类工况分析，优化后围桶受到的最大的力为38.44MPa，该值出现在桶身排水管与桶身相交处。优化方案的薄膜应力、薄膜+弯曲应力均为超过限值。
优化方案的应力大值点与初始方案一致，在优化方案上选取相同位置进行应力线性化，各点的薄膜应力、薄膜+弯曲应力均未超过限值。将应力线性化参数与初始方案进行比对。与初始方案进行对比，优化方案最大应力明显降低。结合2个方案的应力形变图可发现设备的变形量得到改善，在安装环形加强筋和纵向加强筋后，作用在桶身上的力得到了均匀分布，变形趋势更一致，围桶底部的变形量更小，围桶底部的最大应力降低了70%。通过设置加强筋，在围桶自身重量变化不大的情况下，有效的强化了围桶结构。
优化方案的第4类工况应力图如图6所示。
优化方案与初始方案的应力对比表如表3所示。
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5 结语
为减少地震工况下重量对支承的冲击，围桶设计为薄壁结构以减轻自重。针对薄壁结构在第4类工况下变形量过大的问题，采取增加环形加强筋和纵向加强筋的结构优化方案，优化承载能力。参考RCC-M 1级设备的要求确定了材料许用应力，利用ANSYS程序计算应力大值点的数值并与材料的许用应力进行比对，结果表明在第4类工况下，围桶的最大薄膜应力和薄膜+弯曲应力限值都在许用应力以内，围桶在地震下是安全的。
针对类似围桶的大型薄壁结构，合理的布置加强筋，可以在牺牲少部分空间利用率的情况下提升设备强度，同时满足性能要求和空间要求。
[参考文献]
［1］ 压水堆核岛机械设备设计和建造规则：RCC-M 2000版+2002补遗[S].
［2］ 核电厂抗震设计规范：GB50267-1997[S].
作者简介：罗有为（1984—），男，广西南宁人，工程师，从事核设施机械设计和维护工作。