ABAQUS在核工业中的应用.doc

核工业典型用户包括美国Los Alamos国家实验室，美国Sandia国家实验室， 美国电力研究协会，日本原子能研究所，中国核动力研究设计院，中国工程物理研究院，北京核工程研究设计院、等。核反应堆结构热应力分析　　核反应堆结构在温度载荷作用下会产生热应力。Abaqus具有强大的热固耦合分析功能，包括：稳态热传导和瞬态热传导分析，顺序耦合热固分析，完全耦合热固分析，强制对流和辐射分析，热界面接触，热电耦合等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型，来模拟金属、石墨、聚合物、复合材料等工程材料的热学和力学性质。　　Abaqus包括51种纯热传导和热电耦合单元，83种隐式和显式完全热固耦合单元，覆盖杆、壳、平面应变、平面应力、轴对称和实体各种单元类型，包括一阶和二阶单元，为用户建模提供极大的方便。 预应力混凝土压力容器安全性分析　　预应力混凝土结构是由普通钢筋混凝土结构发展而来，是预应力钢筋混凝土的简称，它对减轻结构自重、提高抗震能力、充分发挥材料的强度、降低工程造价、改善结构构件受力性能和扩大钢筋混凝土使用范围等方面，都显示出良好的效果。已广泛应用在包括工业与民用建筑、桥梁、轨枕、压力管道、电杆、桩、储液和储气池罐等方面，如大跨度预应力混凝土屋架，屋面板，整体式或拼装式的公路与铁路桥梁，此外，在矿井支架、海港码头、水压机架、岩体加固和水泥船等方面也广泛应用。　　该项目由美国核管理委员会（NRC）和核动力工程公司（NUPEC）组织并资助，用于研究核容器在超过设计压力时的性能。该项目包括几个阶段，其中一个阶段是将预应力混凝土压力容器（PCCV）结构内压加到失效状态，在55个标准的输出位置预计变量的演化过程。核容器设计压力： 0.39MPa； 线性增加到 0.78MPa； 高度非线性 (开裂)： 0.78MPa 到 1.4MPa。Abaqus拥有复杂的混凝土损伤模型，灵活的Rebar单元模拟钢筋，高精度非线性求解，对大规模三维模型进行并行计算等功能来完成该项目的模拟。 核爆炸模拟　　地下核武器试验在1992年停止，美国在1995年启动了加速战略计算计划（ASCI），目的是发展基于计算机模拟的虚拟试验和设计。该计划最关心的是结构和材料在高应变率、冲击、爆炸、压缩和其它动力学载荷作用下的响应。Abaqus/Explicit显式积分求解器在Los Alamos实验室用于模拟导弹击中地面 15毫秒内武器的响应情况，并在ASCI蓝山超级计算机上运行超过20万小时。核燃料跌落模拟　　美国能源部爱达荷国家工程与环境实验室（INEEL）长期使用Abaqus有限元软件，其中一个重要问题是采用Abaqus模拟压水式反应堆中燃料棒束在假设的事故下发生跌落而产生的可能破坏。在该结构中，204个燃料棒捆绑在一起并由多个金属支撑网固定。求解器采用Abaqus/Explicit进行分析，问题难点包括燃料棒、支撑网和刚性地面之间复杂的接触定义，运用Explicit中的通用接触（General Contact）可以简单方便地完成接触定义而无需一一指定接触对，分析结果被高精度实物试验所验证。此外Abaqus/Explicit中还提供了10结点的修正四面体单元，可以实现对几何形状复杂的结构快速划分网格和并达到高精度模拟接触应力的要求。 核电站地震响应分析　　俄罗斯Atomenergoproekt研究所使用Abaqus有限元软件模拟核电站在地震载荷、空气爆炸、飞行器碰撞等特殊动力冲击下的响应谱，确保结构的安全性。由于核电站结构存在复杂的振动模态形式，采用三维有限元的计算结果比原来采用的基于梁理论的分析方法更加贴近实际。Abaqus/Standard有完整的频域动力学解决方案，包括：自振频率提取，模态动力学，基于模态和直接积分的稳态动力学分析，随机响应分析，响应谱分析等等。以上所有分析可以基于线性或者非线性的状态进行（如考虑结构预载荷的频率提取分析），通过step by step的分析方法来实现多步骤的分析。结构基础的位移，速度或加速度可以设置成随时间变化（模态动力学）或随频率变化（稳态动力学）。配合Abaqus/Explicit时域动力学的分析方法，可以为该类振动和冲击问题提供完整的解决方案。 核反应堆结构可靠性分析　　据报道，自海湾战争以来，伊拉克南部地区癌症发病率增加了6倍，受害最严重的是儿童和青少年，儿童癌症死亡率由战争前的2．3‰增加到16．6‰，主要原因与贫铀造成的该地区环境污染有关。有一支负责清除海湾地区战后贫铀的队伍，在事后均检查出肾和呼吸道疾病，尿铀水平高出正常值2000％。由此可见，核辐射不仅造成直接参与人员体内放射性沾染，还可通过环境污染作用于附近动植物，进而造成更多人员健康危