胡麗娜

ABAQUS的粘結(jié)單元在結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中的應(yīng)用

胡麗娜

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

示范快堆的中間熱交換器為防止溫度分布不均引起的過大熱應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面多處采用摩擦層、搭接的結(jié)構(gòu)形式，利用ABAQUS進(jìn)行模態(tài)分析時，這種結(jié)構(gòu)形式常用Concat（接觸），但模態(tài)分析中對于非線性問題均看作是線性問題，把接觸看做Tie綁定，進(jìn)而地震分析也看成Tie綁定，這與實際結(jié)構(gòu)形式是不相符的。將粘結(jié)單元引入到結(jié)構(gòu)連接中，解決結(jié)構(gòu)間的連接問題，同時計算粘結(jié)單元的剛度。此工作為后續(xù)中間熱交換器的整體力學(xué)分析提供了技術(shù)支撐。

ABAQUS；粘結(jié)單元；模態(tài)分析；結(jié)構(gòu)連接

ABAQUS的粘結(jié)單元（cohesive element）常用于復(fù)合材料來模擬膠粘層，也用于模擬鋼筋混凝土之間的連接關(guān)系，本文引入該單元是為了解決中間換熱器在結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析中結(jié)構(gòu)之間的連接問題。中間熱交換器（IHX）是快堆主熱傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于將一回路（堆芯）鈉的熱量傳輸給二回路的鈉。此外，中間熱交換器的換熱管還起到將一回路的放射性鈉與二回路的鈉隔離的功能。IHX主要由管束、壓力室、排放室、中心管、屏蔽部件和保護(hù)套組成。結(jié)構(gòu)設(shè)計為了防止溫度分布不均引起的熱應(yīng)力，多處采用耐磨層、搭接的結(jié)構(gòu)形式，例如中心下降管和外套管之間、外套管和屏蔽的壓板之間、中心下降管和內(nèi)層管之間，中心下降管和上管板之間，中心下降管和下管板之間，下迷宮和下管板之間等。這些地方在模態(tài)分析中處理為Tie綁定不合適。

1 ABAQUS中連接關(guān)系的簡介

本文重點介紹兩種：Tie綁定和Concat接觸。

Tie綁定：是用于模型中的兩個區(qū)域（面或是節(jié)點）綁定在一起，它們之間沒有相對位移。定義Tie綁定時，要定義兩個面，一個是主面，一個是從面，兩個面域可以指定一個距離，使主面延伸到該設(shè)定區(qū)域的節(jié)點。

Concat接觸：首先要定義接觸的屬性，其次定義相互作用關(guān)系，可以是面-面接觸、自接觸和通用接觸。接觸屬于非線性問題中的狀態(tài)非線性，在每一個的計算中，兩個面時而接觸，時而不接觸，剛度是變化的。

ABAQUS中計算模態(tài)分析忽略非線性的狀態(tài)，在計算模態(tài)的分析中改變Concact接觸關(guān)系變?yōu)門ie綁定。

2 分析模型及結(jié)果

2.1 分析模型

以三層板為計算模型，上下兩塊板尺寸為1 000 mm×500 mm×100 mm，中間板1 000 mm×500 mm×10 mm。連接形式為中間板和上下板之間為Tie綁定。邊界形式為固定底板，在上板施加=－10 mm的位移。圖1為連接形式示意圖，圖2為邊界形式示意圖。

圖1 連接形式

圖2 邊界形式

方案一：三層板定義材料為316 H，采用實體單元。

方案二：上下兩層板的材料是316 H，采用實體單元，中間板定義粘結(jié)單元。

2.2 分析結(jié)果

通過靜力分析，兩種分析方案得到的應(yīng)力結(jié)果如圖3和圖4所示，從結(jié)果可以看到方案一的最大應(yīng)力為1.2 e4MPa，方案二的最大應(yīng)力為1.0 e-8MPa。圖5和圖6所示為位移的云圖，從結(jié)果可看出方案一將板子完全綁定在一起，不會發(fā)生移動，而方案二的位移云圖中上板的位移幾乎就是10 mm。

圖3 方案一的應(yīng)力云圖

圖4 方案二的應(yīng)力云圖

圖5 方案一位移云圖

圖6 方案二的位移云圖

3 確定粘結(jié)單元的剛度

在定義粘結(jié)單元時，一個關(guān)鍵的參數(shù)就是三個方向的剛度，分別是，1，2，經(jīng)過多次驗算，提取方案一和方案二中下板與中間板的內(nèi)力，如果方案二與方案一相比，內(nèi)力幾乎為0，這樣就說明在方向是基本不受力，滿足此方向放開的要求，圖7和圖8是下板的內(nèi)力云圖。

圖7 方案二下板的內(nèi)力云圖

圖8 方案一下板的內(nèi)力云圖

提取接觸面的內(nèi)力，從表1中可以看到，方案二和方案一相比，內(nèi)力幾乎為0.

表1 不同分析方案的內(nèi)力

內(nèi)力NFORC1/N 方案一1.148 9e8 方案二0.001 443

確定粘結(jié)單元的三向剛度為：=1e10 MPa，1=1e－10 MPa，2=1e－10 MPa。

4 結(jié)論

本文將粘結(jié)單元引入到中間熱交換器結(jié)構(gòu)之間連接關(guān)系中，模擬軸向放開，徑向約束的這種連接形式，并通過一個算例，計算粘結(jié)單元的三向剛度，為中間熱交換器的整體力學(xué)分析提供技術(shù)支撐，同時在其他設(shè)備中有同樣的約束形式，也可采用此粘結(jié)單元。

［1］劉展.ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程和實例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕

2095－6835（2018）19－0148－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.148