核反应堆堆芯法兰大螺柱削峰均载螺纹结构研究及优化

发布时间：2017-04-13 02:25

  本文关键词：核反应堆堆芯法兰大螺柱削峰均载螺纹结构研究及优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：核反应堆的堆芯是核反应堆发生核反应的场所,其外部的大螺柱螺栓连接结构是核反应堆中重要的连接部件,其设计质量的好坏直接影响到核反应堆的安全性、可靠性以及寿命。大螺柱螺栓连接结构在工作过程中主要起锁紧和密封的作用,同时其会受到高压、振动等外界因素的作用,自从1942年建立了第一座核反应堆以来,对大螺柱连接结构的研究一直备受关注。堆芯法兰大螺柱螺栓连接结构主要的失效方式为粘扣,粘扣使得大螺柱的螺纹牙发生严重破损或破裂,从而导致在更换核燃料的同时必须要更换大螺柱及螺母,增加了更换燃料的时间及工作量,可能会造成核泄漏的危险。为了满足核工业发展的需要,就需要找一种新的螺纹结构来解决粘扣问题。造成大螺柱螺栓连接结构粘扣的主要原因是螺纹上的应力分布不均,在长时间的强压的作用下,导致受力最大的螺纹牙更容易发生粘扣。为了解决堆芯法兰大螺柱螺栓连接结构螺纹牙上应力分布不均的现象,降低其发生粘扣的概率以及更换核燃料的效率,受中国核动力研究设计院的委托对其螺纹结构进行研究并优化。本文以某M310核反应堆的堆芯法兰大螺柱螺栓连接结构为研究对象,并对同种型号的核反应堆大螺柱螺栓连接结构进行调查,确定其主要失效方式为粘扣,螺纹牙上应力分布不均是造成粘扣的主要原因之一。根据产生粘扣的原因,提出了一种解决办法即削峰均载螺纹,削峰均载螺纹是对标准螺纹进行二次切削,切削的对象是螺纹的单侧。本文寻找普通螺栓螺母在只受轴向力的情况下,轴向力与每扣螺纹牙的关系,找到轴向力与螺纹牙的变形协调方程,根据变形协调方程建立关于大螺柱螺母轴向切量xm的数学模型,并根据建立的数学模型以及标准大螺柱螺栓及螺母的尺寸规格建立其优化方程,利用MATLAB软件的优化工具箱求解削峰均载螺母每扣螺纹的轴向切削量xm的值。之后利用有限元分析软件Ansys,对标准堆芯法兰螺栓及螺母与削峰均载螺栓及螺母进行应力分析,并将得到的结果进行对比,验证了削峰均载螺纹在理论上能够实现削峰的效果。同时,在本文中还对削峰均载螺纹的加工过程中存在的误差以及加工方法进行了分析,并以5.220M?的削峰均载螺母的加工进行了细致的描述,为削峰均载螺纹的研究提供了理论与实践依据。本文通过理论分析和仿真实验验证了削峰均载螺纹结构的可行性,并利用现在的加工方式加工制造了5.220M?的削峰均载螺母,这为削峰均载螺纹结构在核反应堆的应用提供了可靠的现实依据,对推进核工业的发展起到推动作用。
【关键词】：削峰均载 结构优化 MATLAB优化 Ansys 有限元
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH131.3;TL351.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 课题的研究背景9-11
• 1.2 国内外研究现状11-18
• 1.2.1 国外均载螺纹研究现状12-14
• 1.2.2 国内均载螺纹研究现状14-18
• 1.3 核反应堆螺纹连接存在的问题18-19
• 1.4 研究的主要内容19-21
• 2 堆芯法兰大螺柱失效研究21-27
• 2.1 堆芯法兰螺栓连接结构安装拆卸及技术要求21-23
• 2.2 堆芯法兰螺栓连接失效调查23-25
• 2.3 堆芯法兰螺栓连接粘扣机理研究25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 堆芯大螺柱削峰均载螺纹受力分析27-36
• 3.1 螺纹牙的弹性变形27-31
• 3.2 螺纹牙轴向力的分布关系31-34
• 3.3 削峰均载螺纹理论分析34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 堆芯大螺柱削峰均载螺纹结构优化36-44
• 4.1 MATLAB软件简介36-37
• 4.2 确定螺母轴向切削量xm的优化函数及条件并求xm的值37-43
• 4.2.1 确定目标函数37-38
• 4.2.2 确定已知条件：38
• 4.2.3 限制模型约束条件：38
• 4.2.4 MATLAB优化求解38-43
• 4.3 本章小结43-44
• 5 堆芯大螺柱削峰均载螺纹有限元仿真分析44-54
• 5.1 有限元的方法应用44-45
• 5.1.1 有限元方法的基本思想44-45
• 5.1.2 有限元软件Ansys软件简介45
• 5.2 大螺柱削峰均载螺母静力学有限元分析45-53
• 5.2.1 建立有限元分析模型45-47
• 5.2.2 确定单元类型与材料性能参数47-48
• 5.2.3 网格划分48-49
• 5.2.4 施加约束与载荷49-50
• 5.2.5 有限元模型求解50-53
• 5.3 本章小结论53-54
• 6 峰均载螺纹的加工制造与实验54-63
• 6.1 内螺纹的加工方法概况54-55
• 6.2 削峰均载螺纹加工制造55-59
• 6.2.1 内螺纹加工误差分析55-57
• 6.2.2 削峰均载螺纹加工制造57-59
• 6.3 削峰均载螺母与标准螺母实验59-62
• 6.3.1 600B-WEW万能试验机简介59-60
• 6.3.2 实验夹具设计60-62
• 6.3.3 对比实验过程分析62
• 6.4 本章小结62-63
• 7 总结与展望63-65
• 7.1 全文总结63-64
• 7.2 展望64-65
• 参考文献65-67
• 附录A 符号解释（按照文章出现顺序排序）67-68
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果68-69
• 致谢69-70

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