1、 控制棒缓冲器的结构设计与动力屈曲仿真 王晓艳，周永峰 中国科学院上海应用物理研究所 ， 201800 摘 要 本文以薄壁圆柱壳作为主要构件对控制棒缓冲器进行了结构设计，并通过 有限元 非线性显示 动力学软件 ANSYS/LS-DYNA 对控制棒 缓冲器进行了 动力屈曲 仿真 ，得到了控制棒的 最大加速度以及 缓冲器薄壁 圆柱壳的 最大 轴向位移 ，证明了 该结构 设计的可行性。 计算结果 发现薄壁圆柱壳的径厚比越大，其刚度越差 ， 吸能效能越强。 关键词 薄壁圆柱壳，控制棒缓冲器， ANSYS/LS-DYNA， 动力屈曲 The Structural Design and Dynamic B
2、uckling Simulation of the Control Rod Buffer Wang Xiaoyan, Zhou Yongfeng Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 201800 Abstract The structural design is carried out for thin cylindrical shell as the main components of the control rod buffer. The maximum acceleration of t
3、he control rods and the axial displacement of the cylindrical shell buckling are simulated by the classical FEM software ANSYS/LS-DYNA to prove the feasibility of the design. It is also found that the greater ratio of radius to thickness for a thin cylindrical shell, the stronger energy absorption p
4、erformance, except its poor stiffness. Keyword Thin cylindrical shell, control rod buffer, ANSYS/LS-DYNA, dynamic buckling 1 前言 控制棒缓冲器的设计是为了防止控制棒在意外情况下从驱动机构中坠落，从而对堆内构件造成冲击性破坏。核反应堆中常用薄壁圆柱壳作为缓冲器的主要构件。薄壁圆柱壳在轴向冲击作用下发生塑性变形，不但能高效率地吸收能量，并且能按照设计要求控制碰撞力和速度的变化，因此是缓冲器、减震器等吸能元件的最佳选择。 近年来，国内外有不少文献对轴向冲击下薄壁圆柱壳的动态屈
5、曲行为进了了数值模拟与试验研究 1-8。本文从工程实际出发，对控制棒缓冲器进行了结构设计，并利用非线性有限元分析软件 ANSYS/LS-DYNA 对缓冲器的薄壁圆柱 壳结构进行了动力屈曲仿真。研究中发现：随着薄壁圆柱壳径厚比的增大，其能量吸收量逐渐增大，其屈曲形态逐渐由轴对称转变为非轴对称。另外， 壁厚小于 0.5mm 的超薄壁圆柱壳吸能量大，但刚度较差， 变形模式不稳定， 设计过程中要尽量避免。 2 控制棒缓冲器的结构设计 控制棒在正常下落及紧急落棒时均不会碰到缓冲器，在极端事故情况下，控制棒驱动机构的链条断裂会造成控制棒脱落，最终落到缓冲器上。缓冲器在冲击下发生屈曲变形，从而起到缓冲作用。
6、由于发生的几率较小，因此在设计中不考虑缓冲器的修复。 为了尽可能吸收更多的冲击能量，必须在结 构上保证冲击过程中控制棒的轴心与缓冲器筒体一致，使筒体受力均匀。因此，缓冲器必须包括一些辅助装置，如承冲击环、缓冲导向管、薄壁圆柱壳、缓冲底板等四部分组成，结构见图 1 所示。 图 1 控制棒缓冲器结构 简 图 带锥度承冲击环的周向与导向管间隙配合，底部压在薄壁圆柱壳上，目的是使冲击力能均匀地砸到壳上并能顺利沿着导向管向下运动。缓冲导向管通过周向螺钉安装在缓冲底板上，缓冲器的主要部件薄壁圆柱壳压在缓冲底板上。缓冲底板是一个带有台阶的构件，可以使圆柱壳定位，能 方便对中安装。 3 控制棒缓冲器的动力屈曲
7、仿真 控制棒缓冲器的主要承冲击部件为薄壁圆柱壳，且作用在薄壁圆柱壳上的载荷为均匀的轴向作用力。因此，控制棒缓冲器的动力屈曲问题可以简化为薄壁圆柱壳的在轴向冲击载荷作用下的屈曲变形分析。对一个给定的初始冲击速度、冲击质量以及材料的控制棒缓冲器，薄壁圆柱壳的厚度、半径、高度有一个最佳值，使冲击过程中圆柱壳吸收的塑性变形能最大，控制棒的冲击力最小。缓冲器的高度在控制棒驱动机构中通常被限定，也不易调节，因此，控制棒缓冲器在设计过程中主要考虑其壁厚对能量吸收率的影响。 薄壁圆柱壳 缓冲导向管 连接螺栓 缓冲底板 承冲击环 轴向冲击载 荷作用下圆柱壳的屈曲变形模式以及能量吸收特征非常复杂，因此用有限元进行
8、模拟计算。有限元计算模型是通过显示非线性动力有限元分析模块 ANSYS/LS-DYNA 来计算的。 3.1 模型描述 控制棒的质量 20kgm ，自由落体的高度 1.6mH ，则控制棒在初始接触缓冲器的速度0 5.6m/sV 。薄壁圆柱壳的高度为 150mm，内径为 48mm，壁厚为 0.6mm。 有限元模型见图 2。 图 2 有限元模型 （ 1）定义单元：控制棒采用 SOLID164 实体单元，缓冲器（薄壁圆柱壳）采用 SHELL163壳单元，壳体厚度通过实常数进行定义。 （ 2）定义材料类型：缓冲器为弹塑性材料，弹性模量 206GPaE ，泊松比 0.28 ，屈服强度 s 206MPa ，
9、切线模量 200MPam ， 337.8 10 kg / m ；控制棒采用为刚体材料模型，206GPaE ，泊松比 0.28 ， 3141471kg / m （按照质量和体积换算），且限制除了 Z 方向平动的其它所有自由度，即只允许 Z 方向运动。 （ 3）定义边界条件：在 1/4 面上施加对称约束，薄壁圆柱壳的 底部 完全约束，控制棒和薄壁圆柱壳之间定义接触。 （ 4）定义接触：控制棒与薄壁圆柱壳分别定义为 Part1 和 Part2，两个 Part 之间定义接触类型：单面自动 接触（ Single Surface）和节点 -面接触（ Nodes to Surface）。 （ 5）定义初始条
10、件与载荷：控制棒初始速度设为 -5.6m/s，给刚体施加重力 -50N。 （ 6）定义求解时间：分析时间为 50ms，取 100 个时间步。 3.2 计算结果 下面就不同时刻和不同壁厚情况下，缓冲器薄壁圆柱壳的变形量、控制棒的最大加速度等进行讨论。 （ 1）不同时刻 控制棒 缓冲器薄壁 圆柱壳 图 3 为壁厚 =0.6mm 的缓冲器薄壁圆柱壳在不同时刻（ t=0.0045s， 0.0095s， 0.0145s， 0.0195s）下的变形图，可见，薄壁圆柱壳的变形主要表 现为轴对称屈曲，且变形主要集中在远离冲击端的底部。另外，随着冲击时间的增加，薄壁圆柱壳的变形量逐渐增加。 图 3 不同时刻缓冲
11、器 薄壁圆柱壳 的变形图 图 4、图 5 分别为冲击过程中控制棒的加速度以及薄壁圆柱壳的轴向位移随时间的变化曲线。可见，冲击主要发生在 20ms 的时间内，控制棒的最大加速度为 530m/s2，缓冲器薄壁圆柱壳的最大轴向位移为 56mm。 图 4 控制棒的加速度变化曲线 图 5 薄壁圆柱壳 的轴向位移变化曲线 （ 2）不同壁厚 图 6 为薄壁圆柱壳 的壁厚分别为 0.4mm、 0.5mm、 0.6mm、 0.7mm 时的位移云图，可见，随着径厚比的减小，薄壁圆柱壳逐渐由非轴对称屈曲转变为轴对称屈曲。当壁厚小于 0.5mm 时，薄壁圆柱壳主要为非轴对称屈曲，变形主要发生在冲击端，轴向与径向都有很
12、大变形，远离冲击端的变形很小；当壁厚大于 0.5mm，则薄壁圆柱壳的变形模型稳定，基本为轴对称屈曲，变形主要集中在远离冲击端的底部，且随着壁厚的增大，变形量逐渐增大。 图 6 不同壁厚 薄壁圆柱壳 的位移云图 图 7 控制棒最大加速度及 圆柱壳 轴向位移与 圆柱壳 壁厚的关系 图 7 为不同壁厚的薄壁圆柱壳对应的控制棒的最大加速度及圆柱壳的最大轴向位移，由此可见，随着薄壁圆柱壳壁厚的增加，控制棒的最大加速度逐渐增大，薄壁圆柱壳的轴向位移逐渐减小。其中，薄壁圆柱壳的壁厚 0.5mmt 时，薄壁圆柱壳的变形较小，但壁厚对控制棒加速度的影响非常显著；而壁厚 0.5mmt 时，控制棒的加速度很小，即冲
13、击力很小，但薄壁圆柱壳的轴向位移与变形量很大。 4 结论 本文研究的主要结论： （ 1） 利用 ANSYS/LS-DYNA 计算 控制棒 缓冲器（薄壁圆柱壳的高度 200mm，内径48mm，壁厚 0.6mm）在紧急落棒情况下控制棒的最大加速度为 530m/s2，薄壁圆柱壳的最大轴向位移为 56mm，可以满足工程需要。 （ 2） 随着薄壁圆柱壳径厚比的增大，其能量吸收量逐渐增大，屈曲形态逐渐由轴对称转变为非轴对称。 （ 3） 壁厚为薄壁圆柱壳作为缓冲器构件的关键尺寸参数。壁厚小于 0.5mm 以下的超薄壁圆柱壳吸能效果较好，但刚度很差，屈曲行为比较复杂；壁厚大于 0.5mm 的薄壁圆柱壳刚度较大
14、，变形模型稳定，吸能效果可以通过初始设计参数进行控制。 参考文献 1 袁碧 , 周慧忠 , 薛松 . HTR-10 控制棒减震器设计 . 高技术通讯 , 2002, 02:88-92. Yuan Bi, Zhou Huizhong, Xue Song. The Design of HTR-10 Control Rod Damper. High Technology Letters, 2002, 2:88-92. 2 侯飞 , 孙华东 . 轴向载荷作用下圆柱壳的屈曲仿真 . 微计算机信息 , 2007, 23(11):199-200. Hou Fei, Sun Huadong. The comp
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