5.4 Методы и программное обеспечение расчетов на прочность реакторов кяэу

При проектировании КЯЭУ первого поколения в период 60-х – 80-х голов в расчетах на прочность преобладали “традиционные” методы, основой которых являлся поэлементный анализ конструкции реактора. О прочности реактора в целом судили по результатам расчета отдельных элементов: трубных досок, крышек, оболочек, стержневых элементов. Для расчетов применялись методы сопротивления материалов, теории оболочек, и т.п., в общем, применялись аналитические решения механики деформируемого твердого тела. Такой подход к расчету на прочность содержится в пособии [7] и на современном этапе представляется удовлетворительным при выполнении курсового проекта, темой которого является проработка конструкции реактора.

Однако, современный реактор КЯЭУ, представляющий собой сложную, разветвленную совокупность пластин, оболочек, трехмерных тел, стержневых элементов требует получения картины его НДС как единого целого с последующим анализом прочности, для обеспечения минимального веса при гарантировании ресурсов в сотни тысяч часов.

Решение подобной задачи требует применения вычислительных методов механики деформируемого твердого тела, реализованных в программах для ЭВМ.

К таким методам относится метод конечного элемента [14] (МКЭ) и его модификации в форме, например, метода суперэлементов.

Другой класс, эффективный для анализа прочности реактора – это численные методы, использующие уравнения механики оболочек.

Рассмотрим достоинства и недостатки каждого из упомянутых методов применительно к исследованию НДС реактора.

Метод конечного элемента является универсальным методом решения задач прочности, устойчивости, колебаний пространственных конструкций, составленных из стержней, пластин, оболочек, трехмерных тел. Этот метод реализован в таких программных продуктах как: ANSYS, NASTRAN, COSMOS, CAN (комплекс отечественной разработки) и других.

Применительно к особенностям конструкции реактора КЯЭУ МКЭ обладает рядом недостатков. Поскольку метод является весьма громоздким в вычислительном плане, то реализация расчетной модели такой сложной конструкции как реактор КЯЭУ и сам процесс счета требует больших затрат времени. Наличие в конструкции разнородных и разномасштабных элементов может создать проблемы в генерации конечно-элементной сетки и, как следствие, к возникновению неустойчивости счета, ошибкам или, значительному “ручному” вмешательству.

Для расчета осесимметричных оболочечных конструкций, к коим относится и наш реактор, наиболее удачна модель из дискретных элементов, для которых их геометрия, механические характеристики, действующие нагрузки меняются вдоль образующей непрерывно. Поскольку состояние осесимметричных оболочечных конструкций всегда можно описать системой дифференциальных уравнений, то существующие методы численного интегрирования позволяют получать решения с высокой точностью и за сравнительно короткие промежутки времени. Для каждого из образующих рассматриваемую конструкцию оболочечных элементов можно получить перемещения узловых линий, а затем вычислить напряжения в любых точках каждой оболочки [15].

На описанных выше принципах в техническом университете «Станкин» создан программный комплекс КИПР [15], получивший широкое применение для расчетного исследования НДС реакторов КЯЭУ.

Пример расчетной схемы реактора приведен на рисунке 19. На рисунке 20 показано типичное деформированное состояние реактора в нижней его части, где установлен компенсатор температурных перемещений в результате действия механических и температурных нагрузок.

Рисунок 19 – Расчетная схема конструкции реактора в программном комплексе КИПР

Рисунок 20 – Исходное и деформированное состояние компенсатора температурных перемещений в нижней части реактора

Для того, чтобы делать выводы о прочности реактора по результатам расчетов компонентов его НДС с помощью программного комплекса КИПР, требуется, в общем случае, сделать три расчета: расчет от действия только механических нагрузок, расчет при действии только температуры и расчет при действии и механических нагрузок и температуры. Такая технология позволяет проверить прочность конструкции с учетом особенностей влияния на нее напряжений различных категорий. А влияние это различно. Например, разрушить конструкцию из очень пластичных сталей аустенитного класса за счет только температурных напряжений практически невозможно, но можно сильно сдеформировать, кроме того, температурные напряжения с течением времени могут релаксировать. А вот уровень напряжений от перепадов давления между полостями реактора и его наружных оболочек с окружающей средой практически не меняется на протяжении всего ресурса.

Методы учета в прочности конструкций напряжений различных категорий (различной природы) подробно изложены в “атомных нормах” [8].