包殼管與端塞組裝過程應力分析

杜軍嶺 楊明偉 郭杰

中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南鄭州 450052

燃料棒的外殼結構主要由包殼管和上、下端塞組成。燃料棒的生產過程中，需要將燃料芯塊和輔助件裝入包殼管，之后將上下端塞壓入包殼管兩端，然后進行焊接。燃料棒的包殼管和上、下端塞是核材料的第一道包容屏障，包殼管與上、下端塞的組裝焊接質量直接影響著核電站的安全生產。在燃料棒與上、下端塞組裝過程中，需要通過外力將端塞壓入包殼管內，包殼管與上、下端塞為過渡配合，當出現過大的過盈量時會出現將包殼管壓裂或端塞無法壓到位的情況。所以需要對端塞與包殼管不同過盈量時壓入力進行分析，分析最大過盈量和所需壓塞力，用于輔助燃料棒制造及設備選型[1]。

1 問題分析

1.1 材質及結構參數

本文選擇某型號燃料組件包殼管及上端塞進行分析，包殼管及上端塞材料為316Ti。316Ti為奧氏體不銹鋼材料，對應的泊松比為0.3，材料的彈性模量為199GPa。

包殼管及上端塞結構參數如下：

包殼管外徑：6.6mm；

包殼管壁厚：0.45mm；

上端塞外徑：5.7mm；

上端塞壓入長度：8mm。

整個仿真過程在20℃的環境下進行，視為恒溫過程，摩擦接觸為滑動摩擦接觸，根據經驗摩擦因數確定為0.1。

1.2 分析方法

有限元分析作為一種強有力的數值分析方法，在結構分析和仿真計算中有著極大的應用價值。目前，結構仿真中的靜力分析、動力分析、穩定性計算，特別是結構的線性、非線性分析（幾何、材料非線性）、屈曲分析等，都可以借助于大型的有限元分析軟件如MSC/NASTRAN、ANSYS等進行。端塞壓入包殼管內時，包殼管端部承受端塞的摩擦力以及徑向壓力，涉及到摩擦和變形問題，因此端塞和包殼管均設置為柔性體[2]。端塞的位移設置為8mm，在10s的時間內完成。為了保證分析的準確性使用三維模型仿真分析的方法。仿真需要得到的結果是壓塞力和結構應力。整個仿真過程中端塞在外力的作用下被推入包殼管，整個問題屬于非線性接觸的結構靜力學范疇。對于結構靜力學問題的求解和計算已經形成了比較成熟的方法，許多市場上主流的仿真軟件都能很好完成仿真計算，最終確定使用有限元分析軟件ANSYS進行建模和仿真分析工作。

2 有限元仿真

2.1 建立有限元模型

包殼管及端塞結構為旋轉軸對稱結構，減少模型網格數量，選擇模型的四分之一進行模型。對應的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 壓塞模型

對建立好的有限元模型進行檢查，確定網格質量是否合格，主要查看的網格質量、雅克比值和。經檢查對應的網格平均質量為0.9404，而雅克比均值為1.08，均符合要求，且網格質量很好，說明建立的有限元模型是合格的。

2.2 添加邊界條件

根據現有模型確定三維有限元模型的邊界條件為：位移約束、摩擦滑動約束和一個固定約束，利用位移約束來模擬端塞進入包殼管的過程。

2.3 計算求解

在仿真計算時給出的過盈量為0.005mm，計算此時的剪切應力、支反力的大小情況求解結果。根據求解結果可以知道，對應的當過盈量為0.005mm時的支反力為871.58N，最大剪切應力為218.99MPa。

利用前面相同的步驟進行求解上端塞和包殼管在不同過盈量下包殼管剪切應力及支反力的大小，得出的結果如表1、表2所示。

表1 不同過盈量剪切應力

表2 不同過盈量下的支反力

2.4 結果分析

根據材料的參數信息可知，材料的抗拉強度大于530MPa，根據經驗公式可以知道材料的剪切應力為約為0.6～0.8倍抗拉強度，因此材料的最大剪切應力為318MPa，因此包殼管與端塞間最大過盈量應不超過10μm，此時最大剪切應力為402MPa。

分析端塞和包殼管間的過盈量為5μm時最大剪切應力的計算云圖，最大剪切應力出現在端塞的端部位置和包殼管接觸時，因此可以優化端塞的端部結構，將倒角改為圓角，在一定程度上能夠減小最大剪切應力。

當過盈量為10μm時，端塞組裝時包殼管最大支反力為1959N，當氣缸速度≤0.5m/s時，氣缸負載率取0.7～0.8，當氣缸速度＝0.5～0.9m/s時，氣缸負載率取0.5～0.7，當氣缸速度≥1m/s時，氣缸負載率取0.3～0.5[3]。根據設計經驗及仿真結果取氣缸負載率為0.7，因此壓塞機構設計推力應不小于1600N。

3 結語

本文通過有限元軟件ANSYS對包殼管與端塞進行了模型建立、網格劃分、計算等工作。求得不同過盈量下包殼管剪切應力及支反力。通過對不同過盈量時的應力、支反力分析，給出了建議的最大包殼管與端塞間裝配過盈量，以及壓塞機構最小推力，有效的指導了包殼管與端塞配合尺寸旋轉和壓塞結構設計。