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核电厂小支管的振动损伤数值模拟分析

张仲强  
【摘要】:核电厂中存在大量小支管,剧烈振动易使小支管插套焊的焊缝产生疲劳裂纹,导致管路内含放射性流体的泄漏,给核电厂的安全运行带来巨大威胁。因此,为了减少小支管因振动而产生疲劳裂纹失效,本文对小支管的振动损伤特性进行了数值模拟研究。本文主要工作和结论如下:(1)建立了基于固有频率的小支管裂纹损伤识别方法。选取某核电厂中一段事故多发的小支管,利用有限元软件ABAQUS分析了不同约束形式下管段在受损前后的固有频率变化特点。研究发现,固有频率变化率随裂纹位置的变化为一条正常的震荡曲线,固有频率数值随裂纹深度的增大而增大。(2)探明小支管焊趾处Ⅰ型裂纹应力强度因子的变化规律。通过ABAQUS及Zencrack软件分析横向力作用下小支管插套焊焊趾处的应力及应力强度因子KⅠ的变化规律。结果表明,小支管的振动方向与激振力方向一致,该方向上的应力最大,垂直振动方向时应力最小;KⅠ随裂纹前缘呈倒U形分布,在裂纹最深处取最大值;裂纹深度相同时,圆周长度较短的裂纹逐步扩展形成大裂纹。(3)计算了含裂纹管的局部柔度。基于应变能释放率,对裂纹管的局部柔度公式进行了分析总结,讨论了裂纹尺寸、裂纹位置及外载荷对裂纹直管局部柔度系数的影响规律,发现纯剪切载荷作用下的小直管的局部柔度值最大,弯曲振动时由裂纹扩展引起的刚度变化最大,这些分析可为建立弹簧铰裂纹管模型提供理论依据。(4)推导了含裂纹小支管的振动疲劳裂纹扩展模型。通过对含裂纹小支管弹簧铰模型在振动过程中的动响应变化特性进行分析,发现激振力、外激励频率、各阶模态值对小支管振动疲劳寿命有显著影响,其共振疲劳寿命最短,同时推导得到了小支管受迫振动时的疲劳裂纹扩展量公式。研究结果为核电厂小支管的在线运行及寿命预测提供参考依据。


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