基于有限元分析的核反应堆中管接头淬火残余应力分析研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
初始条件 ： （Ｉ Ｔ Ｔｒ） ０ 三
ｍ
ｆ 有 限元 网格 不像纯 拉格 朗 日
Ｉ
第三类边界条件： Ｋａｎ ＝ （＿ｆ其中： 一对流换 ｆ 方 法 一 样 始 终 跟 随 材 料 流 一 ｈＴＴ ， ） ｈ ｌ
热 系数 ；Ｔ～冷却介 质温 度 。变分 方程 为 ： ｒ
导热 系数 。
１２ 热传 导方 程 的有 限元求解 ． 界产生的热交换相 比可忽略不计 ，即有 ：
ｃＴ Ｌ ＝ ｄ （ｒ Ｔ ｐ ＋ ・ Ｋｉ ｇ ｄ ） ｖ ａ
： 反 映应变 率强化 效应 和 温 ． ｌ ２３ 网格 划分
｝
ｍｏ ｅｎ ｄｌｇ ｉ
材料在淬火过程中应变不大，由此而产生的热与外 ｌ 升软化 效应 的模型 ，能很好 的模 拟应力 的流 动特性 。 采 用 自适 应 网格 划 分 技 术 ，主 要 包 括 任 意 拉 格 朗 日一 欧拉 自适 应 （ Ｌ ） 自适应 网格重 划分 以及 网格 到 网 Ａ Ｅ、 单纯 的 欧拉方 法效 率不 高 ，本 文 采用 将两 种方 法混 合 使
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ＥＭ ｏｔ ｒ ｆａ ｑ ｓｉ ｕ ｅ ｏ ｓｍｕａｅ ｑ ｅ ｃ ｅ ｅｉｕ ｌ ｔｅｓｏ ｔｉｌｓ ｔｅ ｕｂ ｏ ｅ ｔｒａ ｉ ｒｂ ｔｏ ｅｉｕ— ｅＦ ｓｆｗａｅ ｏ ｂａ ｕ ｓ ｓ ｄ ｔ ｉ ｌｔ ｕ ｎ ｈ ｄ ｒｓｄ ａ ｒ ｓ ｆｓａｎ ｅｓｓｅ ｌｔ ｅ ｃ ｎｎ ｃｏ ｎｄ ｄｓ ｉ ｕ ｎ ｏｆｒｓｄ ｓ ｔ ｉ ｌ ｓｒｓ ｎ ｔ ｘｅ ｄｅ ｐ ｂｅｏ ｔ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｎ ｈｅ ｌｙ ｒｉ ｂｔｉ ｄ．Ｔｈ ｅ ｅ ｔｏ ｕｅ ｈｉｇ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｎｄ ｑ ｅ ｃ ｉｇ ｃ ｌ ｇ ａｅ ｏｎ ａ ｔｅｓｉ ｈｅ ａ ｌ ｅ ｌ ｗ ｈ ｕ ｆｃ ａ ｄ ｔ ａ ｅ ｓｏ ａｎｅ ｅ ｆ ｃ ｆｑ ｎｃ ｎ ｅ ｅ ａ ｅ ａ ｕ ｎ ｈｎ ｏｏｉ ｒｔ ｕ ｎ ｒｓｄ ａ ｔｅｓｄｓｒｂ ｔｏ ｈ ｒ ｃｅ ｓ ｃ ｓｒｓ ａｃ ｄ， ｎ ｈ ｎ ｏｍｂ ｎ ｄ Ｏ ａ ｈｅ ｅ ｄｆ ｒｎｔｑ ｎｃ ｎ ｏｎ ｉ ｏ ｓ ｈ ｕ ｒｎ ｅ ｄ ｎ ｍｍ ｕ ｅｉｕ ｌｓｒ ｓ ｉｔｉｕ ｎ ｃ ａａ ｔｒ ｔ ｓｉ ｅｅ ｈｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｉ ｉｉ ｒ ｉ ｅ ｔ ｃ ｉｖ ｉｅ ｅ ｕｅ ｈ ｇ ｃ ｄｔ ｎ ，ｔ ｅｇ ａａ ｔｅ ｆ ｉ ｉ ｉ ｍ ｃ ｎ ｕ ｐｉ ｆｒｓ ｕ ｃ ｓａ ｈ ｅ ｔｃ ｓ ｆｒｓｄ ａ ｔｅｓｆｅｄ ａ ｄ ｆ ｈｅ ｏ ｄｎ ｕ ｎ ｈｎ ｏ ｉｔ ｓｑ ｅ ｃ ｎｇｐｒ ｃ ｓ ｏｒｅ ｅｐｒｓ ｏ ｓｍ ｔ ｏｎ ｏ ｏ ｒ ｅ ｎｄ ｔｅ ｂ ｓ ａｅ ｏ ｅｉｕ ｌｓｒｓ ｌ ｎ ｎｄ ｔ ｐ ｍｌｑ ｅ ｃ ｇ ｃ ｎｄ ｉ ｕ ｎ ｈ ｏ ｅｓｆ ｎｔｒ ｉｅ ｅ ｉ ｉ ｉ ｏｎ ｉ
一
在淬火后残余应力的预测准确度与所采用的计算模 ｆ
型 密切 相关 ，现 在淬 火过 程模 拟 已普遍 采 用 弹塑性 力学 ｊ
第２ ５卷 第 ３期 ２ １ ０ ２年 ５月
文 章 编 号 ：１ ０ — ６ ３ （ ０ ２ ３ ０ ６ ０ ０ ２ ６ ７ ２ １ ）０ — ９ — ３
机 电产 品 开 笈 与刨 崭
Ｄｅ ｅｏ ｍｅ ｔ Ｉ ｎ ｖ ｔ ｎ ｏ ａ ｈｎ ｒ ＆ Ｅ ｅ ｔ ｃ ｌＰ ｏ ｕ ｔ ｖ ｌｐ ｎ ＆ ｎ ｏ ａｉ ｆ ｃ ｉ ｅｙ ｏ Ｍ ｌｃｒ ａ ｒ ｄ ｃｓ ｉ
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ Ｈ１ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄ ｉ ０３ ６ ／． ｓ．０ ２ ６ ７ ． １．３０ ０ ｏ： ．９ ９ ｉｓｎ１０ — ６ ３２ ２０ ． １ ｉ ０ ４
Ｑｕ ｎ ｈ ｄＲ ｓ ｕ ｌ ｔｅｓｏ ｇ ｐ ｅ ｒ ｉ ｘｅ ｓｄｏ ｂ ｑ ｓ ｅ ｃ ｅ ｅｉ ａ ｒｓ ｆ ｈＳ ｅｄＴ ａｎＡ ｌ Ｂａｅ ｎＡ ａ ｕ ｄ Ｓ Ｈｉ
，
２ 淬 火 有 限元 分 析 模 型 建 立
２１ 管 接头 几何模 型建 立 ．
不锈 钢管 接头呈 对称分 布 ，接 头尺寸 远大 于横截 面
尺 寸 。且 管接 头 的 两端 被 固定及 横 截 面尺 寸 均匀 对 称 ，
ｏ ｒ ｉ
白
则
（） ｝ ４
可 取横截 面 的 １２建立 几何模 型 ，如 图 １ 示 。 ／ 所
Ｄ
］＝ ㈣ ｌ 运 动 ， 网 格 如 图 ２所 示 ， ｄ０ ｒ ｄ ｚ 独
ｌ
利 用边界 条件 获得 总体的泛 函方程 为 ：
此 问题 研 究 的 是 结 构 的 静
＝
一 ｏ
（ ｝【 。 ９ ）器
：
态 响应 问 题 ，所 以分 析 步 采用 Ｓａｉ，Ｇ ｎ ｒｌ 为求 解 ｔｔ ｃ ｅ ｅａ 作
力的分 布情 况 ，得 到 了残余 应 力在 管接 头 内外表 面的分 布 特性 。研 究 了改 变淬 火温度 与淬 火冷 却
速 率 对残余 应 力分布 特 性的 影响 ，然后 结合 不 同淬 火工 艺 实现 的条件 。在 保证 最低 资 源消耗 与得 到 最佳 残余 应 力场 的情 况 下 ，寻 求 最优 的淬 火工 艺条件 ，为企 业 的淬 火工 艺制 定提供 了一种 很 好 的参考 。 关键词 ：有 限元 ；核 反应 堆 ；不锈 钢管接 头 ；淬 火工 艺；残余 应力
０ 引言
｝ 表 层残 余 应力 分布 的重 要 的手段 ，不 同 的淬 火温 度及 冷
Ｉ 却 速 度决 定 了表层 残余 应力 的分 布 特性 与大 小 。影 响淬
核反应堆中堆芯零件工作于高温（４ ￣） 高压（７ ＭＰ ） １ 火 处 理 的工 艺 因 素复 杂 ，实 验 测 量 耗时 、耗力 。为 此 ， ３ ０Ｃ 、 １ ０ ａ
Ｖｏ， ， ． ｌ ２５Ｎｏ３ Ｍａｙ。 １ ． ２０ ２
基 于有 限元分析 的核反应堆 中管接头淬火残余应 力分析研 究
朱 金驹 ，李 雅 堂 ，赵 宣 ，李 贵 明
（ 苏 师 范大 学 物 理 与 电子 工程 学 院 ，江苏 徐 州 ２ １１ ） 江 ２ １６
摘
要 ：采用有 限元仿 真 通 用平 台 Ａｂｑ ｓ 拟 了核反 应 堆 中不锈 钢 管接 头淬 火过程 。分析 了淬 火后 残余 应 ａｕ 模
１
动 ，也 不像 纯欧拉 方法 一样 ： 固 定 不 动 ：这 种 方 法 中 网 格 可 以独 立 于材料流 动之 外单
图 ２ 有 限元 分 析 网格 模 型
Ｆ ｇ２ ｉ． Ａｂ ｑ ｓａ ａｙ ｉ ｒｄ ａ ｕ ｎ ｌｓｓｇ ｉ
ｍｏ ｌ ｄｅ
ｊ［ ＋ 鲁 Ｋ ＋ （ ｒ
２２ 材料模 型 建立 ．
ｃ（ ｉ 嚣 ＋Ｌ＋ｈ ５ 等 ｒ ｊ ＋ Ｘ ｄ＝ ） ｉｏ（ ｖ
上 式 中第 一项 代表 内 能变化 率 ，第二 项代 表 因变 形 而产 生 的热 。第 三项代 表 因相 变产 生 的热 ，ｄｖ ｉｈ表示 与
外 界热 交 换 。按 Ｆ ｕｉｒ 热 定 律 有 ：ｄｖ ＝ Ｋ ｏ ｏｒ 传 ｅ ｉｈ 一 Ｔ ，Ｋ 为
利用 八节点等参 数有 限元法 得到热 平衡方 程组 ： ｉ
［ ＪＴｔ｛ 】 Ｋ （ 】 Ｑ ，可解 出 向对 应的温 度值 。 ＝
３ 淬 火 工 艺 对 残 余 应 力 分 布 的 影 响
１３ 残余应 力 的计算 模型 ．
Biblioteka Baidu
ｆ ３１ 淬火温 度对 残余 应力 的影 响 ．
淬 火温 度是 影 响淬火 后残 余 应力 大小 的重 要 因素 之
为相变 时各组 成相 的体积分 数［ ２ １ 。
Ｈ ∈ 仃 。，Ｈ＝‘ 仃，－ ＇ｉ ＝ 一 一 ｉＯｊｊ ￣ ｉ ，又 ： ｊ ｅ
・
制 造 业信 息 化 ・
等 熹 ０ （ｉ 嚣 Ｈ ３ ） 白
于有等 是： Ｉ ｊ ＋
＋。＋ｉ Ⅱ ｖ ｉ ｄｈ ｅ
式 中 ： Ｈ ｃ 定压比热 ，百 Ｌ ｒ＝ 厂 Ｏ Ｏ Ｈ ・ 一相变潜热 上式为：
缝钢管的机械性能，提高其超长使役的能力 。在热处理 ！ 过程中， 随着淬火温度的大小及冷却速度的快慢 ，在 Ｉ １１ 热传 导 方程 伴 ．
钢 管 内外表 面 可 以产生 不 同性 质 的残余 应 力 ［ 另外 ， ： １ １ 。
１ 淬 火 处 理 工 艺 有 限元 求 解 原 理
ｂｑ ｓ 中 。要求 具有 超 长使役 的能力 ，一 般使 用时 间 为 ４ ０年 ， ： 本文 基 于有 限元 分 析 软 件 Ａ ａ ｕ 在 不 同 的 处理 温 度 及 冷却 速度 下 ，研究 表 面残余 应力 的分布 规律 ，探 讨管 接 这就对零件的加工制造及热处理提 出了极为严 格的要 ｛
ｄ ｖ ｌ ｐｍｅ ｔｐｒ ｖ ｄ ｓａ ｇ ｄ ｒ ｆ ｒ ｎ ｅ． ｅ ｅｏ ｎ ｏ ｉ ｅ ｏｏ ｅｅ ｅ ｃ
Ｋｅ ｒ ：ＦＥＭ ； ｎ ｃｅ ｒｒ ａ ｔｒ； ｓａｎｅｓｓｅ ｌｔｂｅｃ ｎ ｃｏ ； ｑ ｅ ｃ ｎｇ； ｒｓｄ ａ ｔｅｓ ｙ ｗｏ ￣ ｕ ｌａ ｅ ｃｏ ｔｉ ｌｓ ｔｅ ｕ ｏ ｎｅ ｔ ｒ ｕｎｈ ｉ ｅｉｕ ｓｒ ｓ ｌ
Ｚ ＨＵ ｉ一 ，Ｌ ａ Ｔ ｎ ，Ｚ Ａ０ Ｘｕ ｎ，Ｌ ｔ 一 Ｊｎ 血 ＩＹ － ａ ｇ Ｈ ａ ｌＧ ｄ 胁
（ｈ ｏ ｆ ｈ ｓ ｓａｄＥｅｔｏ ｉ ｇｎ ｅｉｇ ｉ ｇｕＮｏｍａ Ｕｎｖ ｒｔ ，Ｘｕ ｈ ｕＪ ｎ ｓ ２ １ ，Ｃｈｎ ） Ｓ ｏ ｌ ｙｉ ｎ ｌｃｒｎｃＥｎ ｉｅ ｒ ．Ｊａ ｓ ｒ ｌ ｉｅｓｙ ｏＰ ｃ ｎ ｎ ｉ ｚｏ ａ ｇｕ ２ １ ｉ １６ ｉａ
基 金 项 目 ：江 苏省 高校 优 势学科 （ 光 工程与技 术 ） 国家 自然科 ： 激 ，
学 金 ｏ４ ） 基 （７５ ４ ０ ３４
方向 ：机械 系统设 计，故障诊 断，智能信号 处理 。
Ｉ
Ｉ
作者简介：朱金驹，男，学士。主要研究方向：电 路设计， 计算 ｌ 机仿真； 通讯作者： 李贵明，男， 硕士研究生， 讲师。主要研究 ：
（） ： ６
由于管接头为轴对称形式 ，则有：
Ｋ
＝
Ｉ 格技 术 。这 三 种 技术 各有 优缺 点 ，单 纯的 拉格 朗 日或 者 ｜
ｌ
Ｃ［ ＋ ０ 一； ＝ （ ： ，在一 个 ＡＬＥ分 析 当 中 ， 。 ｒ０ Ｌ］ 【 十 Ｋ Ｊ 旦 Ｚ ｏｒ ｄ ｔ 一 ‘ ７ 用 ）
热力 学第一 定律 方程 为 ：
‘ ａ＋ ｑ ｈ ＝ ￣ｐ ｒ ０ ｉ － （） １
管接头内外表面冷却速度不一致，会使内外表面存在不 ｌ
均匀的应力梯度 ，降低其使用性能 。热处理是获得期望 ｌ
— — — — 一
Ｊ
对于 淬火过 程 ：内部 热源 ＝ ，ｈ＝ ｉ ，即 ： ｒｏ ｉｄｖ ｉ ｈ ∈ － ｉ ＝ ｄｖ ｈ （） ２ 引入 状态 函数 Ｈ（ｉＴ ｑ 、 ） ｅ ． 、 ，其 中 ｑ 。 内应 变量 ； ｉ ＿
｝
求。这些不锈刚管接头一般为无缝不锈钢钢管制成 ，那 ｌ 头 的 最佳 淬 火处 理 工 艺 流 程 ，以 获 得 最 佳 残余 应 力 分
么决 定其 使用 性能 的除 了本 身 材料 特性 以外 ，热 处理 工 ： 布 ，以达 到管接 头 的超长使 役 。
艺 也是极 为重 要 的 。合 适 的热处 理 工艺 能极 大 的提高 无 １
ｍ
ｆ 有 限元 网格 不像纯 拉格 朗 日
Ｉ
第三类边界条件： Ｋａｎ ＝ （＿ｆ其中： 一对流换 ｆ 方 法 一 样 始 终 跟 随 材 料 流 一 ｈＴＴ ， ） ｈ ｌ
热 系数 ；Ｔ～冷却介 质温 度 。变分 方程 为 ： ｒ
导热 系数 。
１２ 热传 导方 程 的有 限元求解 ． 界产生的热交换相 比可忽略不计 ，即有 ：
ｃＴ Ｌ ＝ ｄ （ｒ Ｔ ｐ ＋ ・ Ｋｉ ｇ ｄ ） ｖ ａ
： 反 映应变 率强化 效应 和 温 ． ｌ ２３ 网格 划分
｝
ｍｏ ｅｎ ｄｌｇ ｉ
材料在淬火过程中应变不大，由此而产生的热与外 ｌ 升软化 效应 的模型 ，能很好 的模 拟应力 的流 动特性 。 采 用 自适 应 网格 划 分 技 术 ，主 要 包 括 任 意 拉 格 朗 日一 欧拉 自适 应 （ Ｌ ） 自适应 网格重 划分 以及 网格 到 网 Ａ Ｅ、 单纯 的 欧拉方 法效 率不 高 ，本 文 采用 将两 种方 法混 合 使
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ＥＭ ｏｔ ｒ ｆａ ｑ ｓｉ ｕ ｅ ｏ ｓｍｕａｅ ｑ ｅ ｃ ｅ ｅｉｕ ｌ ｔｅｓｏ ｔｉｌｓ ｔｅ ｕｂ ｏ ｅ ｔｒａ ｉ ｒｂ ｔｏ ｅｉｕ— ｅＦ ｓｆｗａｅ ｏ ｂａ ｕ ｓ ｓ ｄ ｔ ｉ ｌｔ ｕ ｎ ｈ ｄ ｒｓｄ ａ ｒ ｓ ｆｓａｎ ｅｓｓｅ ｌｔ ｅ ｃ ｎｎ ｃｏ ｎｄ ｄｓ ｉ ｕ ｎ ｏｆｒｓｄ ｓ ｔ ｉ ｌ ｓｒｓ ｎ ｔ ｘｅ ｄｅ ｐ ｂｅｏ ｔ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｎ ｈｅ ｌｙ ｒｉ ｂｔｉ ｄ．Ｔｈ ｅ ｅ ｔｏ ｕｅ ｈｉｇ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｎｄ ｑ ｅ ｃ ｉｇ ｃ ｌ ｇ ａｅ ｏｎ ａ ｔｅｓｉ ｈｅ ａ ｌ ｅ ｌ ｗ ｈ ｕ ｆｃ ａ ｄ ｔ ａ ｅ ｓｏ ａｎｅ ｅ ｆ ｃ ｆｑ ｎｃ ｎ ｅ ｅ ａ ｅ ａ ｕ ｎ ｈｎ ｏｏｉ ｒｔ ｕ ｎ ｒｓｄ ａ ｔｅｓｄｓｒｂ ｔｏ ｈ ｒ ｃｅ ｓ ｃ ｓｒｓ ａｃ ｄ， ｎ ｈ ｎ ｏｍｂ ｎ ｄ Ｏ ａ ｈｅ ｅ ｄｆ ｒｎｔｑ ｎｃ ｎ ｏｎ ｉ ｏ ｓ ｈ ｕ ｒｎ ｅ ｄ ｎ ｍｍ ｕ ｅｉｕ ｌｓｒ ｓ ｉｔｉｕ ｎ ｃ ａａ ｔｒ ｔ ｓｉ ｅｅ ｈｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｉ ｉｉ ｒ ｉ ｅ ｔ ｃ ｉｖ ｉｅ ｅ ｕｅ ｈ ｇ ｃ ｄｔ ｎ ，ｔ ｅｇ ａａ ｔｅ ｆ ｉ ｉ ｉ ｍ ｃ ｎ ｕ ｐｉ ｆｒｓ ｕ ｃ ｓａ ｈ ｅ ｔｃ ｓ ｆｒｓｄ ａ ｔｅｓｆｅｄ ａ ｄ ｆ ｈｅ ｏ ｄｎ ｕ ｎ ｈｎ ｏ ｉｔ ｓｑ ｅ ｃ ｎｇｐｒ ｃ ｓ ｏｒｅ ｅｐｒｓ ｏ ｓｍ ｔ ｏｎ ｏ ｏ ｒ ｅ ｎｄ ｔｅ ｂ ｓ ａｅ ｏ ｅｉｕ ｌｓｒｓ ｌ ｎ ｎｄ ｔ ｐ ｍｌｑ ｅ ｃ ｇ ｃ ｎｄ ｉ ｕ ｎ ｈ ｏ ｅｓｆ ｎｔｒ ｉｅ ｅ ｉ ｉ ｉ ｏｎ ｉ
一
在淬火后残余应力的预测准确度与所采用的计算模 ｆ
型 密切 相关 ，现 在淬 火过 程模 拟 已普遍 采 用 弹塑性 力学 ｊ
第２ ５卷 第 ３期 ２ １ ０ ２年 ５月
文 章 编 号 ：１ ０ — ６ ３ （ ０ ２ ３ ０ ６ ０ ０ ２ ６ ７ ２ １ ）０ — ９ — ３
机 电产 品 开 笈 与刨 崭
Ｄｅ ｅｏ ｍｅ ｔ Ｉ ｎ ｖ ｔ ｎ ｏ ａ ｈｎ ｒ ＆ Ｅ ｅ ｔ ｃ ｌＰ ｏ ｕ ｔ ｖ ｌｐ ｎ ＆ ｎ ｏ ａｉ ｆ ｃ ｉ ｅｙ ｏ Ｍ ｌｃｒ ａ ｒ ｄ ｃｓ ｉ
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ Ｈ１ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄ ｉ ０３ ６ ／． ｓ．０ ２ ６ ７ ． １．３０ ０ ｏ： ．９ ９ ｉｓｎ１０ — ６ ３２ ２０ ． １ ｉ ０ ４
Ｑｕ ｎ ｈ ｄＲ ｓ ｕ ｌ ｔｅｓｏ ｇ ｐ ｅ ｒ ｉ ｘｅ ｓｄｏ ｂ ｑ ｓ ｅ ｃ ｅ ｅｉ ａ ｒｓ ｆ ｈＳ ｅｄＴ ａｎＡ ｌ Ｂａｅ ｎＡ ａ ｕ ｄ Ｓ Ｈｉ
，
２ 淬 火 有 限元 分 析 模 型 建 立
２１ 管 接头 几何模 型建 立 ．
不锈 钢管 接头呈 对称分 布 ，接 头尺寸 远大 于横截 面
尺 寸 。且 管接 头 的 两端 被 固定及 横 截 面尺 寸 均匀 对 称 ，
ｏ ｒ ｉ
白
则
（） ｝ ４
可 取横截 面 的 １２建立 几何模 型 ，如 图 １ 示 。 ／ 所
Ｄ
］＝ ㈣ ｌ 运 动 ， 网 格 如 图 ２所 示 ， ｄ０ ｒ ｄ ｚ 独
ｌ
利 用边界 条件 获得 总体的泛 函方程 为 ：
此 问题 研 究 的 是 结 构 的 静
＝
一 ｏ
（ ｝【 。 ９ ）器
：
态 响应 问 题 ，所 以分 析 步 采用 Ｓａｉ，Ｇ ｎ ｒｌ 为求 解 ｔｔ ｃ ｅ ｅａ 作
力的分 布情 况 ，得 到 了残余 应 力在 管接 头 内外表 面的分 布 特性 。研 究 了改 变淬 火温度 与淬 火冷 却
速 率 对残余 应 力分布 特 性的 影响 ，然后 结合 不 同淬 火工 艺 实现 的条件 。在 保证 最低 资 源消耗 与得 到 最佳 残余 应 力场 的情 况 下 ，寻 求 最优 的淬 火工 艺条件 ，为企 业 的淬 火工 艺制 定提供 了一种 很 好 的参考 。 关键词 ：有 限元 ；核 反应 堆 ；不锈 钢管接 头 ；淬 火工 艺；残余 应力
０ 引言
｝ 表 层残 余 应力 分布 的重 要 的手段 ，不 同 的淬 火温 度及 冷
Ｉ 却 速 度决 定 了表层 残余 应力 的分 布 特性 与大 小 。影 响淬
核反应堆中堆芯零件工作于高温（４ ￣） 高压（７ ＭＰ ） １ 火 处 理 的工 艺 因 素复 杂 ，实 验 测 量 耗时 、耗力 。为 此 ， ３ ０Ｃ 、 １ ０ ａ
Ｖｏ， ， ． ｌ ２５Ｎｏ３ Ｍａｙ。 １ ． ２０ ２
基 于有 限元分析 的核反应堆 中管接头淬火残余应 力分析研 究
朱 金驹 ，李 雅 堂 ，赵 宣 ，李 贵 明
（ 苏 师 范大 学 物 理 与 电子 工程 学 院 ，江苏 徐 州 ２ １１ ） 江 ２ １６
摘
要 ：采用有 限元仿 真 通 用平 台 Ａｂｑ ｓ 拟 了核反 应 堆 中不锈 钢 管接 头淬 火过程 。分析 了淬 火后 残余 应 ａｕ 模
１
动 ，也 不像 纯欧拉 方法 一样 ： 固 定 不 动 ：这 种 方 法 中 网 格 可 以独 立 于材料流 动之 外单
图 ２ 有 限元 分 析 网格 模 型
Ｆ ｇ２ ｉ． Ａｂ ｑ ｓａ ａｙ ｉ ｒｄ ａ ｕ ｎ ｌｓｓｇ ｉ
ｍｏ ｌ ｄｅ
ｊ［ ＋ 鲁 Ｋ ＋ （ ｒ
２２ 材料模 型 建立 ．
ｃ（ ｉ 嚣 ＋Ｌ＋ｈ ５ 等 ｒ ｊ ＋ Ｘ ｄ＝ ） ｉｏ（ ｖ
上 式 中第 一项 代表 内 能变化 率 ，第二 项代 表 因变 形 而产 生 的热 。第 三项代 表 因相 变产 生 的热 ，ｄｖ ｉｈ表示 与
外 界热 交 换 。按 Ｆ ｕｉｒ 热 定 律 有 ：ｄｖ ＝ Ｋ ｏ ｏｒ 传 ｅ ｉｈ 一 Ｔ ，Ｋ 为
利用 八节点等参 数有 限元法 得到热 平衡方 程组 ： ｉ
［ ＪＴｔ｛ 】 Ｋ （ 】 Ｑ ，可解 出 向对 应的温 度值 。 ＝
３ 淬 火 工 艺 对 残 余 应 力 分 布 的 影 响
１３ 残余应 力 的计算 模型 ．
Biblioteka Baidu
ｆ ３１ 淬火温 度对 残余 应力 的影 响 ．
淬 火温 度是 影 响淬火 后残 余 应力 大小 的重 要 因素 之
为相变 时各组 成相 的体积分 数［ ２ １ 。
Ｈ ∈ 仃 。，Ｈ＝‘ 仃，－ ＇ｉ ＝ 一 一 ｉＯｊｊ ￣ ｉ ，又 ： ｊ ｅ
・
制 造 业信 息 化 ・
等 熹 ０ （ｉ 嚣 Ｈ ３ ） 白
于有等 是： Ｉ ｊ ＋
＋。＋ｉ Ⅱ ｖ ｉ ｄｈ ｅ
式 中 ： Ｈ ｃ 定压比热 ，百 Ｌ ｒ＝ 厂 Ｏ Ｏ Ｈ ・ 一相变潜热 上式为：
缝钢管的机械性能，提高其超长使役的能力 。在热处理 ！ 过程中， 随着淬火温度的大小及冷却速度的快慢 ，在 Ｉ １１ 热传 导 方程 伴 ．
钢 管 内外表 面 可 以产生 不 同性 质 的残余 应 力 ［ 另外 ， ： １ １ 。
１ 淬 火 处 理 工 艺 有 限元 求 解 原 理
ｂｑ ｓ 中 。要求 具有 超 长使役 的能力 ，一 般使 用时 间 为 ４ ０年 ， ： 本文 基 于有 限元 分 析 软 件 Ａ ａ ｕ 在 不 同 的 处理 温 度 及 冷却 速度 下 ，研究 表 面残余 应力 的分布 规律 ，探 讨管 接 这就对零件的加工制造及热处理提 出了极为严 格的要 ｛
ｄ ｖ ｌ ｐｍｅ ｔｐｒ ｖ ｄ ｓａ ｇ ｄ ｒ ｆ ｒ ｎ ｅ． ｅ ｅｏ ｎ ｏ ｉ ｅ ｏｏ ｅｅ ｅ ｃ
Ｋｅ ｒ ：ＦＥＭ ； ｎ ｃｅ ｒｒ ａ ｔｒ； ｓａｎｅｓｓｅ ｌｔｂｅｃ ｎ ｃｏ ； ｑ ｅ ｃ ｎｇ； ｒｓｄ ａ ｔｅｓ ｙ ｗｏ ￣ ｕ ｌａ ｅ ｃｏ ｔｉ ｌｓ ｔｅ ｕ ｏ ｎｅ ｔ ｒ ｕｎｈ ｉ ｅｉｕ ｓｒ ｓ ｌ
Ｚ ＨＵ ｉ一 ，Ｌ ａ Ｔ ｎ ，Ｚ Ａ０ Ｘｕ ｎ，Ｌ ｔ 一 Ｊｎ 血 ＩＹ － ａ ｇ Ｈ ａ ｌＧ ｄ 胁
（ｈ ｏ ｆ ｈ ｓ ｓａｄＥｅｔｏ ｉ ｇｎ ｅｉｇ ｉ ｇｕＮｏｍａ Ｕｎｖ ｒｔ ，Ｘｕ ｈ ｕＪ ｎ ｓ ２ １ ，Ｃｈｎ ） Ｓ ｏ ｌ ｙｉ ｎ ｌｃｒｎｃＥｎ ｉｅ ｒ ．Ｊａ ｓ ｒ ｌ ｉｅｓｙ ｏＰ ｃ ｎ ｎ ｉ ｚｏ ａ ｇｕ ２ １ ｉ １６ ｉａ
基 金 项 目 ：江 苏省 高校 优 势学科 （ 光 工程与技 术 ） 国家 自然科 ： 激 ，
学 金 ｏ４ ） 基 （７５ ４ ０ ３４
方向 ：机械 系统设 计，故障诊 断，智能信号 处理 。
Ｉ
Ｉ
作者简介：朱金驹，男，学士。主要研究方向：电 路设计， 计算 ｌ 机仿真； 通讯作者： 李贵明，男， 硕士研究生， 讲师。主要研究 ：
（） ： ６
由于管接头为轴对称形式 ，则有：
Ｋ
＝
Ｉ 格技 术 。这 三 种 技术 各有 优缺 点 ，单 纯的 拉格 朗 日或 者 ｜
ｌ
Ｃ［ ＋ ０ 一； ＝ （ ： ，在一 个 ＡＬＥ分 析 当 中 ， 。 ｒ０ Ｌ］ 【 十 Ｋ Ｊ 旦 Ｚ ｏｒ ｄ ｔ 一 ‘ ７ 用 ）
热力 学第一 定律 方程 为 ：
‘ ａ＋ ｑ ｈ ＝ ￣ｐ ｒ ０ ｉ － （） １
管接头内外表面冷却速度不一致，会使内外表面存在不 ｌ
均匀的应力梯度 ，降低其使用性能 。热处理是获得期望 ｌ
— — — — 一
Ｊ
对于 淬火过 程 ：内部 热源 ＝ ，ｈ＝ ｉ ，即 ： ｒｏ ｉｄｖ ｉ ｈ ∈ － ｉ ＝ ｄｖ ｈ （） ２ 引入 状态 函数 Ｈ（ｉＴ ｑ 、 ） ｅ ． 、 ，其 中 ｑ 。 内应 变量 ； ｉ ＿
｝
求。这些不锈刚管接头一般为无缝不锈钢钢管制成 ，那 ｌ 头 的 最佳 淬 火处 理 工 艺 流 程 ，以 获 得 最 佳 残余 应 力 分
么决 定其 使用 性能 的除 了本 身 材料 特性 以外 ，热 处理 工 ： 布 ，以达 到管接 头 的超长使 役 。
艺 也是极 为重 要 的 。合 适 的热处 理 工艺 能极 大 的提高 无 １