杜軍嶺 楊明偉 郭杰

中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南鄭州 450052

燃料棒的外殼結(jié)構(gòu)主要由包殼管和上、下端塞組成。燃料棒的生產(chǎn)過程中，需要將燃料芯塊和輔助件裝入包殼管，之后將上下端塞壓入包殼管兩端，然后進(jìn)行焊接。燃料棒的包殼管和上、下端塞是核材料的第一道包容屏障，包殼管與上、下端塞的組裝焊接質(zhì)量直接影響著核電站的安全生產(chǎn)。在燃料棒與上、下端塞組裝過程中，需要通過外力將端塞壓入包殼管內(nèi)，包殼管與上、下端塞為過渡配合，當(dāng)出現(xiàn)過大的過盈量時(shí)會(huì)出現(xiàn)將包殼管壓裂或端塞無法壓到位的情況。所以需要對(duì)端塞與包殼管不同過盈量時(shí)壓入力進(jìn)行分析，分析最大過盈量和所需壓塞力，用于輔助燃料棒制造及設(shè)備選型[1]。

1 問題分析

1.1 材質(zhì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文選擇某型號(hào)燃料組件包殼管及上端塞進(jìn)行分析，包殼管及上端塞材料為316Ti。316Ti為奧氏體不銹鋼材料，對(duì)應(yīng)的泊松比為0.3，材料的彈性模量為199GPa。

包殼管及上端塞結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

包殼管外徑：6.6mm；

包殼管壁厚：0.45mm；

上端塞外徑：5.7mm；

上端塞壓入長度：8mm。

整個(gè)仿真過程在20℃的環(huán)境下進(jìn)行，視為恒溫過程，摩擦接觸為滑動(dòng)摩擦接觸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)確定為0.1。

1.2 分析方法

有限元分析作為一種強(qiáng)有力的數(shù)值分析方法，在結(jié)構(gòu)分析和仿真計(jì)算中有著極大的應(yīng)用價(jià)值。目前，結(jié)構(gòu)仿真中的靜力分析、動(dòng)力分析、穩(wěn)定性計(jì)算，特別是結(jié)構(gòu)的線性、非線性分析（幾何、材料非線性）、屈曲分析等，都可以借助于大型的有限元分析軟件如MSC/NASTRAN、ANSYS等進(jìn)行。端塞壓入包殼管內(nèi)時(shí)，包殼管端部承受端塞的摩擦力以及徑向壓力，涉及到摩擦和變形問題，因此端塞和包殼管均設(shè)置為柔性體[2]。端塞的位移設(shè)置為8mm，在10s的時(shí)間內(nèi)完成。為了保證分析的準(zhǔn)確性使用三維模型仿真分析的方法。仿真需要得到的結(jié)果是壓塞力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。整個(gè)仿真過程中端塞在外力的作用下被推入包殼管，整個(gè)問題屬于非線性接觸的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)范疇。對(duì)于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題的求解和計(jì)算已經(jīng)形成了比較成熟的方法，許多市場上主流的仿真軟件都能很好完成仿真計(jì)算，最終確定使用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行建模和仿真分析工作。

2 有限元仿真

2.1 建立有限元模型

包殼管及端塞結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，減少模型網(wǎng)格數(shù)量，選擇模型的四分之一進(jìn)行模型。對(duì)應(yīng)的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 壓塞模型

對(duì)建立好的有限元模型進(jìn)行檢查，確定網(wǎng)格質(zhì)量是否合格，主要查看的網(wǎng)格質(zhì)量、雅克比值和。經(jīng)檢查對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.9404，而雅克比均值為1.08，均符合要求，且網(wǎng)格質(zhì)量很好，說明建立的有限元模型是合格的。

2.2 添加邊界條件

根據(jù)現(xiàn)有模型確定三維有限元模型的邊界條件為：位移約束、摩擦滑動(dòng)約束和一個(gè)固定約束，利用位移約束來模擬端塞進(jìn)入包殼管的過程。

2.3 計(jì)算求解

在仿真計(jì)算時(shí)給出的過盈量為0.005mm，計(jì)算此時(shí)的剪切應(yīng)力、支反力的大小情況求解結(jié)果。根據(jù)求解結(jié)果可以知道，對(duì)應(yīng)的當(dāng)過盈量為0.005mm時(shí)的支反力為871.58N，最大剪切應(yīng)力為218.99MPa。

利用前面相同的步驟進(jìn)行求解上端塞和包殼管在不同過盈量下包殼管剪切應(yīng)力及支反力的大小，得出的結(jié)果如表1、表2所示。

表1 不同過盈量剪切應(yīng)力

表2 不同過盈量下的支反力

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)材料的參數(shù)信息可知，材料的抗拉強(qiáng)度大于530MPa，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以知道材料的剪切應(yīng)力為約為0.6～0.8倍抗拉強(qiáng)度，因此材料的最大剪切應(yīng)力為318MPa，因此包殼管與端塞間最大過盈量應(yīng)不超過10μm，此時(shí)最大剪切應(yīng)力為402MPa。

分析端塞和包殼管間的過盈量為5μm時(shí)最大剪切應(yīng)力的計(jì)算云圖，最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在端塞的端部位置和包殼管接觸時(shí)，因此可以優(yōu)化端塞的端部結(jié)構(gòu)，將倒角改為圓角，在一定程度上能夠減小最大剪切應(yīng)力。

當(dāng)過盈量為10μm時(shí)，端塞組裝時(shí)包殼管最大支反力為1959N，當(dāng)氣缸速度≤0.5m/s時(shí)，氣缸負(fù)載率取0.7～0.8，當(dāng)氣缸速度＝0.5～0.9m/s時(shí)，氣缸負(fù)載率取0.5～0.7，當(dāng)氣缸速度≥1m/s時(shí)，氣缸負(fù)載率取0.3～0.5[3]。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及仿真結(jié)果取氣缸負(fù)載率為0.7，因此壓塞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)推力應(yīng)不小于1600N。

3 結(jié)語

本文通過有限元軟件ANSYS對(duì)包殼管與端塞進(jìn)行了模型建立、網(wǎng)格劃分、計(jì)算等工作。求得不同過盈量下包殼管剪切應(yīng)力及支反力。通過對(duì)不同過盈量時(shí)的應(yīng)力、支反力分析，給出了建議的最大包殼管與端塞間裝配過盈量，以及壓塞機(jī)構(gòu)最小推力，有效的指導(dǎo)了包殼管與端塞配合尺寸旋轉(zhuǎn)和壓塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。