中國(guó)氦冷固態(tài)實(shí)驗(yàn)包層模塊整體框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

陶海燕， 吳苑玉， 王澤明， 陳路

（1.華龍國(guó)際核電技術(shù)有限公司，北京 100089；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院第四研究所，成都 610213）

0 引言

實(shí)驗(yàn)包層模塊（Test Blanket Module，TBM）是ITER的一個(gè)關(guān)鍵核心設(shè)備，主要用于對(duì)未來商用示范堆（DEMO）產(chǎn)氚和能量獲取技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)用到的工具、程序、數(shù)據(jù)等進(jìn)行驗(yàn)證和一定程度上對(duì)聚變堆材料進(jìn)行綜合測(cè)試。中國(guó)開發(fā)的氦冷固態(tài)實(shí)驗(yàn)包層模塊（HCSB TBM）以低活化鐵素體鋼為結(jié)構(gòu)材料、Li4SiO4陶瓷小球?yàn)殡霸鲋硠⑩斝∏驗(yàn)橹凶颖对鰟⒑鉃槔鋮s劑和提氚氣體[1]。該方案不僅避免了液態(tài)金屬冷卻劑的磁流體效應(yīng)（MDH）及腐蝕問題，又避免了水的相變及沸騰傳熱問題，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)，因而是最有可能應(yīng)用于未來的DEMO聚變堆[1]。

針對(duì)HCSB TBM，文獻(xiàn)中從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]、熱工設(shè)計(jì)[3-4]、中子學(xué)計(jì)算[5-6]、電磁安全[7]等方面進(jìn)行了較充分的研究，進(jìn)一步論證了中國(guó)設(shè)計(jì)的TBM的合理性。在設(shè)計(jì)中，氦冷TBM有著復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，這是為了帶走其第一壁聚集的核聚變熱量及氚增殖單元上的熱量[2]。設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)是由多塊后板分割成的若干配氣腔體及各零部件內(nèi)部流道所組成[8]。腔體之間又有復(fù)雜的小孔流道相貫通。腔體、流道內(nèi)充斥著用來冷卻的高溫（300 ℃）高壓（8 MPa）氦氣[3]。各腔體之間由真空及高溫、高壓環(huán)境交錯(cuò)布置，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓力載荷復(fù)雜多變。因而有必要對(duì)高溫、高壓環(huán)境下TBM的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

本文采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面對(duì)中國(guó)設(shè)計(jì)的TBM進(jìn)行研究，以驗(yàn)證其整體框架結(jié)構(gòu)能否經(jīng)受高溫、高壓的考驗(yàn)，并為后續(xù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 模型

1.1 模型簡(jiǎn)化

因TBM有著復(fù)雜的腔體和流道結(jié)構(gòu)，為提高有限元求解效率，首先根據(jù)TBM的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。TBM的外圍結(jié)構(gòu)是由第一壁、上下蓋板和后板系統(tǒng)構(gòu)成的整個(gè)包層盒。包層盒內(nèi)部經(jīng)5個(gè)水平板和1個(gè)豎直板分隔成2×6個(gè)子空間[6]，每一空間放置一個(gè)氚增殖子模塊，各子模塊相對(duì)獨(dú)立。氚增殖區(qū)的這種模塊化設(shè)計(jì)減小了對(duì)外界泄漏的可能性，并增加了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。子模塊的這種獨(dú)立性也為結(jié)構(gòu)分析的簡(jiǎn)化提供了方便。

因TBM內(nèi)部氚增殖區(qū)采用上述2×6的模塊化設(shè)計(jì)，為簡(jiǎn)化分析、減少計(jì)算量，可在縱向方向取TBM模塊的1/3進(jìn)行分析，即只包含2×2個(gè)子模塊，而其它尺寸則保持不變。因 而 該1/3 的TBM 模塊可反映全尺寸TBM模塊的受力特點(diǎn)。如圖1和圖2所示，1/3的TBM主要是由4個(gè)子模塊、外框、后板系統(tǒng)、第一壁、格架等組成。

圖1 1/3 的TBM 示意圖

圖2 1/3 的TBM 各部件裝配示意圖

但即使采用1/3的TBM模塊，整個(gè)結(jié)構(gòu)仍過于復(fù)雜。第一壁內(nèi)部共有87根寬為14 mm、深為7 mm的冷卻劑通道[4]；每個(gè)子模塊有25根呈交錯(cuò)蛇形排列半徑為3 mm的冷卻劑圓形管道[9]。第一壁屬TBM外圍框架結(jié)構(gòu)的一部分，在對(duì)TBM整體框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，第一壁不可省略；其間的微細(xì)管道結(jié)構(gòu)也不可簡(jiǎn)化掉，因?yàn)檫@些管道會(huì)引起應(yīng)力集中。但子模塊卻可以簡(jiǎn)化掉，這是由于子模塊的相對(duì)獨(dú)立性，子模塊是通過簡(jiǎn)單的環(huán)焊縫與后板系統(tǒng)相連接。因而在分析TBM整體框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度時(shí)，可不對(duì)4個(gè)子模塊進(jìn)行建模，而是利用力學(xué)等效原理將4個(gè)子模塊簡(jiǎn)化為4個(gè)等效質(zhì)量單元：首先在造型軟件中計(jì)算出子模塊的質(zhì)心位置和質(zhì)量，然后在TBM對(duì)應(yīng)的位置建立4個(gè)與子模塊質(zhì)量相等的質(zhì)量單元，通過MPC單元約束到后板上，圖3中的白線就是線性約束單元MPC。采用這種方法可以使子模塊對(duì)TBM后板系統(tǒng)的影響比較均勻。

圖3 子模塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量等效分布圖

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

本文選用ANSA作為有限元分析的前處理軟件，它有著強(qiáng)大而高效的幾何清理和網(wǎng)格劃分功能，并能輸出多種數(shù)據(jù)格式。在三維結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算中，六面體網(wǎng)格不僅精度高，而且網(wǎng)格數(shù)目少。因此本文采用ANSA前處理軟件對(duì)1/3的TBM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，盡量生成結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。生成的有限元模型如圖4所示，其中六面體網(wǎng)格有377 456個(gè)，五面體網(wǎng)格有4512個(gè)。六面體網(wǎng)格占整個(gè)模型的絕大多數(shù)，有效地提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。

圖4 1/3 的TBM 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格局部圖

1.3 材料參數(shù)

1/3的TBM模塊采用CLF-1鋼，該材料具體參數(shù)由西南物理研究設(shè)計(jì)院提供[10]。由于本文主要研究箱體在300 ℃條件的應(yīng)力、應(yīng)變，所以選取300 ℃時(shí)材料參數(shù)為本次分析的材料數(shù)據(jù)，其中密度為7.83 g/cm3，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.34，許用應(yīng)力為170 MPa。為計(jì)算結(jié)構(gòu)在300 ℃下的熱應(yīng)力，選取相應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)為：熱擴(kuò)散系數(shù)為6.77×10-6m2/s，比熱容為583 J/（kg·℃），熱導(dǎo)率為30.8 W/（m·℃），線膨脹系數(shù)為12.1×10-6/℃。工件的初始溫度取為室溫，即20 ℃。

1.4 邊界條件

在實(shí)際工作中，1/3的TBM模塊具有復(fù)雜的邊界條件和工況，而只有施加合理的邊界條件才能正確地反映實(shí)際工況。該模型主要涉及如下幾類邊界條件:1）載荷類邊界條件。主要是8 MPa氦氣施加在結(jié)構(gòu)上的壓力。通常施加該類邊界條件的主要問題是如何選取模型內(nèi)部大量的小孔流道壁面，特別是對(duì)于彎曲不可見的內(nèi)部流道。本文采用的前處理軟件ANSA在選取面時(shí)具有較大的優(yōu)勢(shì)，它可通過選擇面的角度范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲流道面的選取。同時(shí)，由于模型尺寸較大，本文也考慮了重力的作用。2）網(wǎng)格裝配不匹配邊界條件。由于模型復(fù)雜，需分塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因此，在裝配時(shí)，不同塊與塊間的人為交界面（裝配面）上，便有2套獨(dú)立劃分的網(wǎng)格。而這2套網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)往往不對(duì)應(yīng)，無法通過常規(guī)的重復(fù)節(jié)點(diǎn)消除來實(shí)現(xiàn)裝配。于是本文在塊網(wǎng)格的裝配面上施加Tie約束方程，從而實(shí)現(xiàn)不匹配面的網(wǎng)格裝配。3）位移約束邊界條件。由于模型在300 ℃下有著較大的熱膨脹量，不合適的位移約束將帶來不可思議的巨大應(yīng)力。為不在結(jié)構(gòu)伸展方向帶來不合實(shí)際的過分約束，本文在模型邊界處組裝一個(gè)與模型連接的彈性體。該彈性體的彈性模量只有CLF-1的1/20，而其他物性參數(shù)則與CLF-1一致。位移約束邊界施加在該彈性體上，從而通過該彈性體來保證對(duì)整個(gè)1/3的TBM模型的外部約束。另外，本文盡量使用對(duì)稱邊界條件，在實(shí)現(xiàn)剛體位移約束的同時(shí)不帶來過多的不合理應(yīng)力。施加好的邊界條件如圖5所示。4）TBM子模塊等效質(zhì)量約束邊界條件。本文雖利用力學(xué)等效原理將4個(gè)子模塊簡(jiǎn)化為4個(gè)等效質(zhì)量單元，但在1/3 的TBM整體分析的時(shí)候又必須考慮子模塊對(duì)其余部分的影響。因此，如圖3所示，本文采用分布耦合的方式，通過MPC單元在子模塊所在位置處施加相應(yīng)約束，使得子模塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量在整箱結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁上均勻分布。

圖5 1/3 的TBM 模型邊界條件

2 結(jié)果分析

2.1 變形分析

通過ABAQUS有限元計(jì)算，1/3的TBM在載荷條件下發(fā)生一定的變形，最大變形量為2.907 mm，發(fā)生在箱體末端，如圖6所示。由此可知，在8 MPa內(nèi)壓和300 ℃的高溫下，1/3的TBM整體框架模型變形較小，滿足TBM的±5 mm的誤差要求。

圖6 1/3的TBM整體變形圖

如圖6所示，整個(gè)TBM變形近似呈軸對(duì)稱分布，雖然存在諸多氦氣流道結(jié)構(gòu)，但內(nèi)部氣壓對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響很小，由此可推測(cè)1/3的TBM整體框架模型的變形主要是由熱效應(yīng)引起的。

2.2 應(yīng)力分析

1/3的TBM格架、第一壁、上下蓋板的最大應(yīng)力為81.187 MPa，小于材料在300 ℃/8 MPa下170 MPa的許用應(yīng)力。箱體后半部分主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布如圖7所示，可看出應(yīng)力主要沿氦氣通道分布。由此可知，1/3的TBM后半部分模型的應(yīng)力集中主要是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部氦氣通道尺寸較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變形不協(xié)調(diào)引起的，應(yīng)力大小主要由8 MPa的氦氣壓力引起的。

圖7 1/3的TBM后半部分應(yīng)力分布圖

第一壁應(yīng)力分布如圖8所示，計(jì)算顯示其最大應(yīng)力為61.437 MPa，也小于材料的許用應(yīng)力。但第一壁結(jié)構(gòu)在制造過程中大量使用了焊接工藝，存在較大的焊接變形和應(yīng)力集中，而這些應(yīng)力集中對(duì)最終部件的影響并沒有在該分析中體現(xiàn)出來。所以在后續(xù)的研究中仍需進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

圖8 第一壁應(yīng)力分布圖

1/3的TBM前半部分最大應(yīng)力為117.785 MPa，滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，應(yīng)力分布如圖9所示。該部分最大應(yīng)力發(fā)生在加強(qiáng)筋上而非外框上。雖然外框結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且伴有復(fù)雜而微細(xì)的流道，但應(yīng)力基本都在90 MPa以下。該處加強(qiáng)筋上的應(yīng)力最大點(diǎn)也是1/3的TBM整體框架結(jié)構(gòu)上應(yīng)力最大點(diǎn)。雖然該應(yīng)力值117.785 MPa小于材料在300 ℃/8 MPa下的170 MPa許用應(yīng)力，但由于在本文的計(jì)算中沒考慮氦氣的壓力波動(dòng)、溫度波動(dòng)，也沒考慮加工工藝引起的殘余應(yīng)力和應(yīng)變，所以加強(qiáng)筋的強(qiáng)度仍有待加強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有待進(jìn)一步優(yōu)化。

圖9 1/3的TBM前半部分應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

本文通過有限元計(jì)算對(duì)高溫高壓環(huán)境下TBM的整體框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。為提高分析效率，通過合理簡(jiǎn)化，得到1/3的TBM整體框架結(jié)構(gòu)模型，并以等效質(zhì)量的形式考慮氚增殖子模塊對(duì)整個(gè)模型的影響。對(duì)模型施加300 ℃高溫及8 MPa的氦氣壓力，分析表明：1）1/3的TBM整體框架模型的最大位移為2.907 mm，發(fā)生在第一壁外端，小于1/3的TBM模塊±5 mm的尺寸誤差。2）整個(gè)箱體的最大Mises等效應(yīng)力為117.8 MPa，小于材料在300 ℃/8 MPa下170 MPa的許用應(yīng)力。總體來看，1/3的TBM模塊整體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本滿足高溫、高壓（300 ℃，8 MPa）載荷條件下的強(qiáng)度要求。3）從應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D上看，1/3的TBM模塊的應(yīng)力集中主要是由于尺寸較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變形不協(xié)調(diào)引起的，應(yīng)力大小主要是由8 MPa的氦氣壓力所引起的。而1/3的TBM模塊變形的原因主要是材料因受到300 ℃的溫度載荷而引起熱膨脹。4）1/3的TBM整體框架模型的應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在加強(qiáng)筋上，此處應(yīng)力偏大，其結(jié)構(gòu)仍有待進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。