Компьютерное моделирование термо-деформационных процессов в конструкциях и узлах ЯЭУ, анализ и обоснование их прочностных характеристик, безопасности и ресурса

• Автор: Киселев, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 05.14.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 398 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ специфики конструкции элементов ядсрных энергетических установок ЯЭУ, условий эксплуатации, характерных видов дефектов

и повреждений.

1.2 Анализ существующих методов решения нестационарных задач гермоуиру гопластичности
1.3 Анализ методов решения нелинейных нестационарных задач теплопроводности применительно к ЯЭУ.
1.4 Специфика применения методов механики разрушения для оценки прочности элементов ЯЭУ с трещинами

1.5 Анализ методов расчета собственных частот и форм колебаний элементов ЯЭУ

Цель и задачи исследования

2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ЯЭУ.
2.1 Разработка методов моделирования нестационарных процессов электрои теплопроводности в нелинейной постановке применительно к эксплуатации и технологии изготовления элементов ЯЭУ
2.2 Разработка методов моделирования кинетики напряженнодеформированного состояния НДС в трехмерной постановке с учетом физической и геометрической нелинейности
2.2.1 Базовые соотношения МКЭ
2.2.2 Основные соотношения для конечных элементов различных типов.
2.2.3 Методика решения неизотермической упругопластической задачи.
2.2.4 Методика учета геометрической нелинейности
2.3 Разработка методики расчета НДС элементов ЯЭУ в трехмерной постановке на базе метода суперэлемеитов
2.3.1 Основные соотношения метода суперэлементов
2.3.2 Определение матриц жесткости и векторов нагрузки суперэлементов прямой ход.
2.3.3 Граничные условия и система уравнений.
2.3.4 Определение перемещений обратный ход
Разработка метода решения связанной нестационарной нелинейной электротермодеформационной задачи применительно к технологии герметизации твэлов.
2.4.1 Постановка задачи.
2.4.2 Методические особенности численной реализации.
2.4.3 Модель образования соединения и методика решения контактной
задачи.
Разработка метода расчета параметров нелинейной механики разрушения
для пространственных трещин в элементах ЯЭУ с использованием преимуществ суперэлементного алгоритма.
2.5.1 Алгоритм расчега .Гинтеграла и коэффициентов интенсивности напряжений для пространственных трещин методом эквивалентного объемного интегрирования.
2.5.2 Особенности численной реализации.
.Разработка метода расчета собственных частот и форм колебаний элементов ЯЭУ для стержневых и объемных моделей.
2.6.1 Методика решения задачи расчета собственных частот
и форм колебаний.
2.6.2 Особенности численной реализации.
Разработка методов опенки прочности и кинетики растрескивания предварительно напряженных железобетонных конструкций при нестационарном термомеханическом нагружении
2.7.1 Особенности постановки задачи расчета железобетонных предварительно напряженных защитных оболочек
2.7.2 Методика расчета нагрузок от воздействия предварительно напряженной арматуры
2.7.3 Учет изменения усилия в арматурных канатах в процессе деформирования защитной оболочки
2.7.4 Учет трения арматурных канатов о стенки каналообразователей
2.7.5 Учет армирования при разработке расчетной модели защитной оболочки.
2.7.6 Методика учета нелинейности при растрескивании бетона и
работе арматуры и облицовки в упругой области
2.7.7 Учет нелинейности при растрескивании бетона и упругопластическом деформировании арматуры и облицовки.
2.8 Разработка эффективных методов решения систем линейных
алгебраических уравнений СЛАУ большой размерности
2.9 Применение параллельных методов обработки информации при
реализации конечноэлементного и суперэлементного алгоритмов
2. Разработка эффективною алгоритма численного решения задач механики сплошной среды на основе совместною применения итерационных
методов решения СЛАУ и метода суперэлемснтов
Выводы по главе
3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕМЕНТАХ ЯЭУ.
3.1 Принципы построения и требования к программному обеспечению.
Структура программного комплекса ПК 1 1.
3.2 Характеристика препроцессора БиЬРЕМСоПесйоп 1.0.
3.3 Характеристика постпроцессора 5иЬРЕМЧе 1.0.
3.4 Характеристика расчетного ядра ПК игОШ
3.5 Характеристика специализированного ПК СОИТ
Выводы по главе
4 ВЕРИФИКАЦР1Я РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
4.1 Верификация ПК ШОК 1.
4.2 Верификация ПК СОЫТ.
Выводы по главе 4.
5 ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕМЕНТАХ ЯЭУ ТРЕХМЕРНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ОЦЕНКИ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
5.1 Моделирование ДС и оценка работоспособности защитной оболочки
АЭС с ВВЭР в нормальных и аварийных режимах работы
5.2 Оценка хрупкой прочности корпусов реакторов ВВЭР.
5.3 рименение численных методов для анализа полей перемещений в
окрестности зондирующих отверстий.
5.4 Анализ НДС анкерной колодки проектируемой системы преднапряжеиия
защитных оболочек
5.4.1 Описание конструкции и постановка проблемы
5.4.2 Особенности методики расчета и исходные данные
5.4.3 Результаты расчетных исследований НДС анкерной колодки
для различных условий нагружения
5.5 Расчет жесткостных характеристик дистанционирующих решеток
топливных кассет ВВЭР.
5.6 Анализ собственных частот и форм колебаний топливной кассеты ТВС2
5.7 Моделирование процесса запрессовки нижней заглушки твэла с
применением технологии контактностыковой сварки
5.8 Анализ напряженнодеформированного состояния узла соединения
крышки коллектора парогенератора ПГВ и фланца
5.8.1 Описание конструкции и постановка проблемы.
5.8.2 Особенности методики расчета и исходные данные для исследования НДС фланцевого разъема крышки коллектора
5.8.3 Результаты расчетных исследований НДС узла соединения крышки коллектора с фланцем в различных эксплуатационных режимах
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
ЛИТЕРАТУРА


Другой подход заключается в применении так называемого метода начальных напряжений 7. Вычислительная процедура этого метода заключается в следующем на первой итерации очередного шага решения составляется и обращается матрица жесткости конечноэлементной модели. Затем выполняется решение упругой задачи, за счет умножения обращенной матрицы на вектор узловых сил. Вычисляются узловые перемещения, деформации и напряжения в точках интегрирования конечных элементов. Если напряжения превышают предел текучести, го в соответствии с теорией течения вычисляются новые значения напряжений, соответствующие заданной диаграмме деформирования материала. В результате условия равновесия нарушаются. Вычислив вектор невязки, как разность вектора заданных нагрузок и вектора узловых усилий, полученного интегрированием напряжений по объему конечных элементов, переходим к следующей итерации, вычисляя приращение вектора перемещений от приложенного вектора невязки. Гак продолжается до тех пор пока не будет выполнено условие сходимости. Изложенный выше алгоритм не требует составления и обращения матрицы жесткости конечноэлсментой модели на каждой итерации. В данном случае требуется только умножение обратной матрицы на вектор невязки, что требует на порядка меньше процессорного времени, чем процедура составления и обращения матрицы жесткости конечноэлементой модели. Таким образом, применение метода начальных напряжений являсгся предпочтительным по сравнению с другими алгоритмами итерационных процессов для решения упруговязкопластической задачи в трехмерной постановке. К тому же существует ряд возможностей повышения эффективности и скорости сходимости описанного итерационного процесса 8, о которых пойдет речь в разделе 2. В настоящее время известен целый ряд зарубежных коммерческих программных комплексов, таких как , , I, , и др. НДС во многих практически важных случаях. К недостаткам следует отнести их высокую стоимость и цену сопровождения, невозможность скоррскгировать программный код, сложность организации процедуры решения связанных задач, а в некоторых случаях недостаточную эффективность расчетного ядра этих систем, значительное время, требуемое для детального освоения работ ы с ними. Известен также ряд отечественных программных комплексов РАСТРСИГМА ,, , I 2. ЯЭУ . Сказанное выше, а также сложность и многообразие задач, возникающих при проектировании и эксплуатации ЯЭУ, необходимость взаимного тестирования программ сохраняют актуальность проблемы разработки программного обеспечения для численного решения задач оценки НДС, прочности и ресурса элементов конструкций ЯЭУ. Как было показало выше, характерной особенностью работы ЯЭУ является возникновение в элементах конструкций ЯЭУ неравномерных, нестационарных температурных полей, воздействие которых может приводить к существенному возрастанию уровня напряжений и, нередко, является причиной снижения работоспособности указанных элементов. Это обстоятельство обуславливает необходимость разработки методик и программного обеспечения для расчета температу рных полей в элементах конструкций ЯЭУ, с целыо дальнейшего использования этих результатов в качестве исходных данных при расчете НДС и параметров механики разрушения. При этом необходимо иметь возможность задания граничных условий всех четырех типов температура, поток, конвективный теплообмен, теплообмен излучением, а также источников или стоков тепла, распределенных по объему исследуемой области. Граничные параметры могут являться функциями координат, времени и температуры. Для конструкций простой геометрии, например цилиндрической, наиболее эффекгивным методом расчета ноля температуры является применение неявной конечноразностной схемы . При этом наиболее экономичными являются методы переменных направлений или дробных шагов , сводящие многомерную конечноразностную схему к нескольким одномерным. Именно на основе такого подхода разработана программа I , для расчета трехмерных нестационарных температурных полей в конструкциях, имеющих цилиндрическую геометрию.