ABAQUS的粘結單元在結構模態分析中的應用

胡麗娜

ABAQUS的粘結單元在結構模態分析中的應用

胡麗娜

（中國原子能科學研究院，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力，在結構設計方面多處采用摩擦層、搭接的結構形式，利用ABAQUS進行模態分析時，這種結構形式常用Concat（接觸），但模態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，進而地震分析也看成Tie綁定，這與實際結構形式是不相符的。將粘結單元引入到結構連接中，解決結構間的連接問題，同時計算粘結單元的剛度。此工作為后續中間熱交換器的整體力學分析提供了技術支撐。

ABAQUS；粘結單元；模態分析；結構連接

ABAQUS的粘結單元（cohesive element）常用于復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系，本文引入該單元是為了解決中間換熱器在結構的模態分析中結構之間的連接問題。中間熱交換器（IHX）是快堆主熱傳輸系統的關鍵設備之一，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、屏蔽部件和保護套組成。結構設計為了防止溫度分布不均引起的熱應力，多處采用耐磨層、搭接的結構形式，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。這些地方在模態分析中處理為Tie綁定不合適。

1 ABAQUS中連接關系的簡介

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域（面或是節點）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，使主面延伸到該設定區域的節點。

Concat接觸：首先要定義接觸的屬性，其次定義相互作用關系，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中計算模態分析忽略非線性的狀態，在計算模態的分析中改變Concact接觸關系變為Tie綁定。

2 分析模型及結果

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，中間板定義粘結單元。

2.2 分析結果

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

圖3 方案一的應力云圖

圖4 方案二的應力云圖

圖5 方案一位移云圖

圖6 方案二的位移云圖

3 確定粘結單元的剛度

在定義粘結單元時，一個關鍵的參數就是三個方向的剛度，分別是，1，2，經過多次驗算，提取方案一和方案二中下板與中間板的內力，如果方案二與方案一相比，內力幾乎為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是下板的內力云圖。

圖7 方案二下板的內力云圖

圖8 方案一下板的內力云圖

提取接觸面的內力，從表1中可以看到，方案二和方案一相比，內力幾乎為0.

表1 不同分析方案的內力

內力NFORC1/N 方案一1.148 9e8 方案二0.001 443

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

4 結論

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

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

〔編輯：嚴麗琴〕

2095－6835（2018）19－0148－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.148