Повзучість та пошкоджуваність оболонки твелу при статичному та циклічному навантаженні

Abstract

В статті представлено підхід до розв’язання задачі повзучості оболонки твелу ядерного реактору за умов його контактної взаємодії з фіксуючим елементом за допомогою спеціально розробленої користувацької процедури для програмного комплексу скінченноелементного аналізу. Розглядаються випадки незмінного у часі та циклічного навантаження, яке обумовлено дією потоку, що омиває твел. Задачу розв’язано на основі повної тривимірної постановки, розглянуто матеріали з ізотропією властивостей повзучості та накопичення пошкоджень. У випадку аналізу циклічного деформування з накопиченням прихованих пошкоджень враховуються амплітудні контактні напруження та напруження, що виникають при вимушених коливаннях твелу. Для врахування процесів накопичення прихованих пошкоджень внаслідок повзучості використано спеціально розроблену процедуру для додавання до розрахункової схеми функції інтегрування у часі еволюційного рівняння для скалярного параметру пошкоджуваності. В даній процедурі у випадку врахування циклічного навантаження також виконується перехід до еквівалентної задачі повзучості, отриманої шляхом використання методу двох масштабів часу та осереднення на періоді, визначаються функції асиметрії циклу напружень для кожної точки інтегрування скінченноелементної моделі. Отримано результати чисельного моделювання повзучості оболонки твелу при її контакті з елементом фіксації для випадку статичної та динамічної повзучості. Матеріал оболонки – цирконієвий сплав. У випадку врахування циклічного навантаження продемонстровано суттєве прискорення процесів.

The paper presents an approach to solving the problem of creep of the nuclear reactor fuel rod cladding under the conditions of its contact interaction with the fixing element using a specially developed user subroutine for the finite element analysis software. The cases of time-invariant and cyclic loading, which is caused by the action of the flow washing the fuel, are considered. The problem is solved on the basis of a full three-dimensional formulation, materials with isotropy of creep-damage properties are considered. In the case of analysis of cyclic deformation with accumulation of hidden damage, amplitude contact stresses and stresses arising during forced oscillations of the fuel rod are taken into account. To take into account the processes of accumulation of hidden damage due to creep, a specially developed subroutine is used to add to the calculation scheme the function of integration in time of the evolution equation for the scalar damage parameter. In this subroutine, in the case of taking into account the cyclic loading, a transition to the equivalent creep problem is also performed, obtained by using the method of two time scales and averaging over the period, the stress cycle asymmetry functions are determined for each integration point of the finite element model. The results of numerical simulation of the creep of the fuel cladding when it is in contact with the fixing element for the case of static and dynamic creep are obtained. The cladding material is zirconium alloy.