典型用戶包括美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室, 美國(guó)電力研究協(xié)會(huì),日本原子能研究所,中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,中國(guó)工程物理研究院,北京核工程研究設(shè)計(jì)院、中國(guó)核工業(yè)第一研究設(shè)計(jì)院、中國(guó)核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院 等。

核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析
核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)在溫度載荷作用下會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。Abaqus具有強(qiáng)大的熱固耦合分析功能,包括:穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析,順序耦合熱固分析,完全耦合熱固分析,強(qiáng)制對(duì)流和輻射分析,熱界面接觸,熱電耦合等等?？梢远x從簡(jiǎn)單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數(shù)的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復(fù)雜材料模型,來模擬金屬、石墨、聚合物、復(fù)合材料等工程材料的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。

Abaqus包括51種純熱傳導(dǎo)和熱電耦合單元,83種隱式和顯式完全熱固耦合單元,覆蓋桿、殼、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對(duì)稱和實(shí)體各種單元類型,包括一階和二階單元,為用戶建模提供極大的方便。

預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器安全性分析

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是由普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展而來,是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的簡(jiǎn)稱,它對(duì)減輕結(jié)構(gòu)自重、提高抗震能力、充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度、降低工程造價(jià)、改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能和擴(kuò)大鋼筋混凝土使用范圍等方面,都顯示出良好的效果。已廣泛應(yīng)用在包括工業(yè)與民用建筑、橋梁、軌枕、壓力管道、電桿、樁、儲(chǔ)液和儲(chǔ)氣池罐等方面,如大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土屋架,屋面板,整體式或拼裝式的公路與鐵路橋梁,此外,在礦井支架、海港碼頭、水壓機(jī)架、巖體加固和水泥船等方面也廣泛應(yīng)用。
該項(xiàng)目由美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)和核動(dòng)力工程公司(NUPEC)組織并資助,用于研究核容器在超過設(shè)計(jì)壓力時(shí)的性能。該項(xiàng)目包括幾個(gè)階段,其中一個(gè)階段是將預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器(PCCV)結(jié)構(gòu)內(nèi)壓加到失效狀態(tài),在55個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出位置預(yù)計(jì)變量的演化過程。核容器設(shè)計(jì)壓力: 0.39MPa; 線性增加到 0.78MPa; 高度非線性 (開裂): 0.78MPa 到 1.4MPa。Abaqus擁有復(fù)雜的混凝土損傷模型,靈活的Rebar單元模擬鋼筋,高精度非線性求解,對(duì)大規(guī)模三維模型進(jìn)行并行計(jì)算等功能來完成該項(xiàng)目的模擬。

核爆炸模擬

地下核武器試驗(yàn)在1992年停止,美國(guó)在1995年啟動(dòng)了加速戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃(ASCI),目的是發(fā)展基于計(jì)算機(jī)模擬的虛擬試驗(yàn)和設(shè)計(jì)。該計(jì)劃最關(guān)心的是結(jié)構(gòu)和材料在高應(yīng)變率、沖擊、爆炸、壓縮和其它動(dòng)力學(xué)載荷作用下的響應(yīng)。Abaqus/Explicit顯式積分求解器在Los Alamos實(shí)驗(yàn)室用于模擬導(dǎo)彈擊中地面 15毫秒內(nèi)武器的響應(yīng)情況,并在ASCI藍(lán)山超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行超過20萬小時(shí)。

核燃料跌落模擬

美國(guó)能源部愛達(dá)荷國(guó)家工程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室(INEEL)長(zhǎng)期使用Abaqus有限元軟件,其中一個(gè)重要問題是采用Abaqus模擬壓水式反應(yīng)堆中燃料棒束在假設(shè)的事故下發(fā)生跌落而產(chǎn)生的可能破壞。在該結(jié)構(gòu)中,204個(gè)燃料棒捆綁在一起并由多個(gè)金屬支撐網(wǎng)固定。求解器采用Abaqus/Explicit進(jìn)行分析,問題難點(diǎn)包括燃料棒、支撐網(wǎng)和剛性地面之間復(fù)雜的接觸定義,運(yùn)用Explicit中的通用接觸(General Contact)可以簡(jiǎn)單方便地完成接觸定義而無需一一指定接觸對(duì),分析結(jié)果被高精度實(shí)物試驗(yàn)所驗(yàn)證。此外Abaqus/Explicit中還提供了10結(jié)點(diǎn)的修正四面體單元,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)快速劃分網(wǎng)格和并達(dá)到高精度模擬接觸應(yīng)力的要求。

核電站地震響應(yīng)分析

俄羅斯Atomenergoproekt研究所使用Abaqus有限元軟件模擬核電站在地震載荷、空氣爆炸、飛行器碰撞等特殊動(dòng)力沖擊下的響應(yīng)譜,確保結(jié)構(gòu)的安全性。由于核電站結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜的振動(dòng)模態(tài)形式,采用三維有限元的計(jì)算結(jié)果比原來采用的基于梁理論的分析方法更加貼近實(shí)際。Abaqus/Standard有完整的頻域動(dòng)力學(xué)解決方案,包括:自振頻率提取,模態(tài)動(dòng)力學(xué),基于模態(tài)和直接積分的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,隨機(jī)響應(yīng)分析,響應(yīng)譜分析等等。以上所有分析可以基于線性或者非線性的狀態(tài)進(jìn)行(如考慮結(jié)構(gòu)預(yù)載荷的頻率提取分析),通過step by step的分析方法來實(shí)現(xiàn)多步驟的分析。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的位移,速度或加速度可以設(shè)置成隨時(shí)間變化(模態(tài)動(dòng)力學(xué))或隨頻率變化(穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué))。配合Abaqus/Explicit時(shí)域動(dòng)力學(xué)的分析方法,可以為該類振動(dòng)和沖擊問題提供完整的解決方案。
 

核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)可靠性分析

據(jù)報(bào)道,自海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來,伊拉克南部地區(qū)癌癥發(fā)病率增加了6倍,受害最嚴(yán)重的是兒童和青少年,兒童癌癥死亡率由戰(zhàn)爭(zhēng)前的2.3‰增加到16.6‰,主要原因與貧鈾造成的該地區(qū)環(huán)境污染有關(guān)。有一支負(fù)責(zé)清除海灣地區(qū)戰(zhàn)后貧鈾的隊(duì)伍,在事后均檢查出腎和呼吸道疾病,尿鈾水平高出正常值2000%。由此可見,核輻射不僅造成直接參與人員體內(nèi)放射性沾染,還可通過環(huán)境污染作用于附近動(dòng)植物,進(jìn)而造成更多人員健康危害。

右圖結(jié)構(gòu)為日本核動(dòng)力工程公司設(shè)計(jì)工程師采用Abaqus軟件對(duì)相關(guān)核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)進(jìn)行的應(yīng)力分析。此類結(jié)構(gòu)外層殼為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)殼為鋼板結(jié)構(gòu)。分析目的是為了防止核容器壁在工作過程中出現(xiàn)開裂造成核泄漏。

有缺陷的核反應(yīng)堆壓力容器分析

在壓力容器工作情況下,過快的溫度變化是一種嚴(yán)酷的載荷條件,并由此產(chǎn)生高度非線性內(nèi)表面。在此情況下內(nèi)表面的缺陷會(huì)對(duì)壓力容器的安全性產(chǎn)生極大的影響,針對(duì)缺陷附近的裂紋擴(kuò)展的3-D有限元分析是非常必要的。

ASME 壓力容器和鍋爐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求在設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行假定的缺陷分析(ASME Section III, 1986);設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)還要求對(duì)運(yùn)行的核反應(yīng)堆壓力容器檢驗(yàn)中檢測(cè)到的缺陷用裂痕擴(kuò)展允許準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估(ASME Section XI, 1986)。 由于LEFM和對(duì)模型過于簡(jiǎn)化的2-D斷裂分析的局限性,ASME 壓力容器和鍋爐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所要求的斷裂分析方法過于保守,例如:針對(duì)無限長(zhǎng)的軸向裂紋的平面應(yīng)變模型和針對(duì)連續(xù)周向裂紋的軸對(duì)稱模型。針對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器的脆性材料的非線性分析是十分必要的。

下圖為某核反應(yīng)殼錨結(jié)系統(tǒng)混凝土開裂分析(該項(xiàng)目由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室資助,AMES實(shí)驗(yàn)室完成)。

輕水反應(yīng)堆中管道的安全分析

2004年8月9日,日本中部位于東京以西約350公里福井縣美濱核電站3號(hào)反應(yīng)堆發(fā)生蒸氣管道泄漏事故,導(dǎo)致4人死亡,7人受傷。雖然核輻射物質(zhì)沒有泄漏,但這次核電站事故在日本國(guó)內(nèi)造成巨大沖擊。據(jù)日本官方調(diào)查發(fā)現(xiàn),渦輪機(jī)房?jī)?nèi)直徑約50厘米的配水管道上有肉眼能看見的漏洞,導(dǎo)致高壓水蒸汽泄漏。

核反應(yīng)堆中遍布管道,針對(duì)正常工況下在彎矩和內(nèi)壓的作用下管道在蠕變區(qū)內(nèi)的彎曲問題、有缺陷管子接頭在蠕變區(qū)內(nèi)的彎曲及斷裂分析、厚壁管道的蠕變計(jì)算,過壓情況下管道旋轉(zhuǎn)、撞擊、塌陷、塑性變形、跟材料應(yīng)變率相關(guān)的變形,地震引起的管道響應(yīng),包括線性和非線性響應(yīng)等情況,美國(guó)電力研究所和德國(guó)Bergisch-Gladbach實(shí)驗(yàn)室均進(jìn)行了相關(guān)研究。

核廢料箱中氫的自燃或自爆的研究

(Finished by Westinghouse Savannah River Company, SC, USA)
由于完全處理核廢料迄今還沒有妥善辦法,就只能設(shè)法安全儲(chǔ)藏?，F(xiàn)有的技術(shù)可以保證上千年的安全儲(chǔ)藏,但是必須該儲(chǔ)藏地是地質(zhì)上非常穩(wěn)定的。如果在這些廢料的存儲(chǔ)過程中沒有經(jīng)過妥善處理,或者儲(chǔ)存核廢料的設(shè)施發(fā)生嚴(yán)重老化,這些核廢料完全可以在空氣中自燃,一旦遇水就會(huì)發(fā)生爆炸。自燃或自爆將導(dǎo)致存儲(chǔ)容器在壓力載荷下瞬間發(fā)生較大變形,同時(shí),由于劇烈的溫度變化還會(huì)導(dǎo)致容器材料迅速失效,影響整體結(jié)構(gòu)的性能,甚至造成災(zāi)難性后果。

改進(jìn)氣冷堆(AGR)石墨減速劑的分析

AGR安全要求堆芯中的控制棒和燃料棒運(yùn)動(dòng)時(shí)不能相互阻礙,同是又要被完好地冷卻。下面的工作由英國(guó)核電有限公司完成,他們對(duì)AGR堆芯進(jìn)行3-D力學(xué)分析,并考慮控制棒和燃料棒運(yùn)動(dòng)到不同的位置時(shí)通道的形狀仍然適合在自重,輻射變形(irradiation deformation),外界負(fù)載,水平開鎖系統(tǒng)強(qiáng)制力回赴原狀。