ANSYS平台下疲劳分析的改进
[谢海]
[中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家重点实验室，成都,610041]
[ 摘要 ] ANSYS疲劳分析过程是基于ASME规范进行的，而目前国内核电设计普遍采用的RCCM规范在疲劳评定方面与ASME规范存在一定的差异。本文运用APDL语言编写了程序对疲劳计
算的过程进行改进，经过算例的计算结果可知，改进后计算所得的疲劳使用系数有了一定程度
的减少，减少了计算的保守性。
[ 关键词] ANSYS, 弹塑性修正因子Ke，疲劳
Improvement of the fatigue analysis in the ANSYS
platform
[Xie Hai]
[National Key Laboratory. of Reactor System Design Technology, Nuclear Power Institute of
China, Chengdu, 610041]
[ Abstract ] The fatigue analysis procedure of ANSYS is based on the ASME code. However, the fatigue analysis of RCCM is different from the previous one, which is widely used in nuclear power
design in China. This paper performs an improvement of the fatigue analysis procedure by
APDL coding. The result of an example shows that the fatigue usage factor calculated by the
improved fatigue procedure reduces from before.
[ Keyword ] ANSYS, elastic-plastic correction factor Ke, fatigue .
1引言
ANSYS软件在许多行业中都有着广泛的应用。在核电领域，承压容器的疲劳分析一般采用ANSYS疲劳分析模块。ANSYS[1]疲劳分析过程是基于ASME规范[2]进行的，而目前国内核电设计普遍采用的RCCM[3]规范在疲劳评定方面与ASME规范存在一定的差异，差异主要集中在简化的弹塑性分析关于弹塑性修正因子Ke的算法方面。一般情况下，与RCCM规范相比，ASME规范在Ke的计算上偏保守。
为了挖掘设计潜力，减少保守性，本文应用APDL 语言编写后处理程序，在ANSYS 平台上将RCCM 规范中关于Ke 的计算方法应用于疲劳分析中。最后，本文通过一个算例的计算比较了两种规范下疲劳使用系数的计算结果。
2 弹塑性修正因子
弹塑性修正因子（以下称Ke ）被定义为真实的应变范围与用弹性分析所得的应变范围的比值，疲劳分析过程中若一次加二次应力范围超过3倍基本许用应力强度值，则需进行简化的弹塑性分析，将原交变
应力大小应乘以Ke 作为新的交变应力。以下分别对ASME 规范和RCCM 规范中对于Ke 的计算过程作介绍。
ASME 规范对Ke 的计算公式如下：
⎪⎪⎪⎩⎪
⎪⎪⎨⎧≥<<−⋅
−−+≤=m n m n m m n m n e mS S n
mS S S S S m n n S S K 313313)1(10.130.1对于对于对于 (1) 其中，S n 为一次加二次应力范围，S m 为基本许用应力强度，n 、m 为根据材料确定的参数。交变应力修正公式为：
e a a K S S ⋅=' (2)
RCCM 规范对与Ke 的计算则要复杂一些。RCCM B3234.6根据应力的分类将Ke 分为机械部分Ke mech 与热部分Ke ther ，两部分的计算公式如下：
⎪⎪⎪⎩⎪
⎪⎪⎨⎧
≥<<−⋅−−+
≤=m n m n m m n m n mech
mS S n
mS S S S S m n n S S Ke 313313)1(10.130.1对于对于对于 (3) ⎭⎬⎫⎩
⎨⎧+−=1},)/(66.111{86.1max m n ther S S Ke (4)
其中，S n 、S m 、n 、m 的意义与上相同。需要注意的是，上式仅对非铁素体钢成立。交变应力修正公式为：
reactor technologyther e atther mech e atmech a K S K S S ..'+= (5)
由以上比较看出，实际上（1）式与（3）式是相同的，即RCCM 规范Ke 的机械部分与ASME 的Ke 计算公式相同，不同的是RCCM 规范中Ke 还有热部分。显然，Ke ther <1.86，而Ke mech 理论上最大可以达到5.0，若不对这两者进行区分，则疲劳使用系数的计算结果偏保守。
3 在ANSYS 平台上的实现
要在ANSYS 平台上实现区分Ke ther 和Ke mech ，就要将温度梯度产生的应力与机械载荷产生的应力进行区分，而计算温度压力瞬态时一般使用的是13号耦合场单元，故热应力与机械应力已经混合而无法区分。对此，本文采取的办法是另外再计算一次温度瞬态而不施加压力瞬态，这样就得到了温度梯度产生的热应力，而机械应力则可以用混合的应力减去相应的热应力获得。运用公式(5)可得交变应力，从而计算出疲劳使用系数。
实现的过程如下：
3.1算例
本报告将通过以下算例进行验证。
模型为承压容器球形封头上的接管嘴结构，建立二维轴对称模型进行计算，ANSYS有限元模型见图1。模型的部分尺寸为：球壳内半径Ri1＝1056mm，封头厚度t1=115mm，接管嘴内径Ri2＝142mm，接管厚度t2=35.8mm。
图1 有限元模型图
载荷为核电厂瞬态、热膨胀载荷、地震载荷，其中瞬态载荷包括温度瞬态与压力瞬态，加载与边界条件见图2。需要注意的是热边界条件，由于水流速等因素不同，本文对水与金属接触的表面施加不同的热对流系数。
图2 边界条件图
3.2计算结果及分析
选取了疲劳使用系数最大的截面对两种规范的疲劳使用系数作对比，截面选在安全端与接管焊缝位置，截面见图3。
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