ABAQUS的粘结单元在结构模态分析中的应用

胡丽娜

ABAQUS的粘结单元在结构模态分析中的应用

胡丽娜

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

示范快堆的中间热交换器为防止温度分布不均引起的过大热应力，在结构设计方面多处采用摩擦层、搭接的结构形式，利用ABAQUS进行模态分析时，这种结构形式常用Concat（接触），但模态分析中对于非线性问题均看作是线性问题，把接触看做Tie绑定，进而地震分析也看成Tie绑定，这与实际结构形式是不相符的。将粘结单元引入到结构连接中，解决结构间的连接问题，同时计算粘结单元的刚度。此工作为后续中间热交换器的整体力学分析提供了技术支撑。

ABAQUS；粘结单元；模态分析；结构连接

ABAQUS的粘结单元（cohesive element）常用于复合材料来模拟胶粘层，也用于模拟钢筋混凝土之间的连接关系，本文引入该单元是为了解决中间换热器在结构的模态分析中结构之间的连接问题。中间热交换器（IHX）是快堆主热传输系统的关键设备之一，用于将一回路（堆芯）钠的热量传输给二回路的钠。此外，中间热交换器的换热管还起到将一回路的放射性钠与二回路的钠隔离的功能。IHX主要由管束、压力室、排放室、中心管、屏蔽部件和保护套组成。结构设计为了防止温度分布不均引起的热应力，多处采用耐磨层、搭接的结构形式，例如中心下降管和外套管之间、外套管和屏蔽的压板之间、中心下降管和内层管之间，中心下降管和上管板之间，中心下降管和下管板之间，下迷宫和下管板之间等。这些地方在模态分析中处理为Tie绑定不合适。

1 ABAQUS中连接关系的简介

本文重点介绍两种：Tie绑定和Concat接触。

Tie绑定：是用于模型中的两个区域（面或是节点）绑定在一起，它们之间没有相对位移。定义Tie绑定时，要定义两个面，一个是主面，一个是从面，两个面域可以指定一个距离，使主面延伸到该设定区域的节点。

Concat接触：首先要定义接触的属性，其次定义相互作用关系，可以是面-面接触、自接触和通用接触。接触属于非线性问题中的状态非线性，在每一个的计算中，两个面时而接触，时而不接触，刚度是变化的。

ABAQUS中计算模态分析忽略非线性的状态，在计算模态的分析中改变Concact接触关系变为Tie绑定。

2 分析模型及结果

2.1 分析模型

以三层板为计算模型，上下两块板尺寸为1 000 mm×500 mm×100 mm，中间板1 000 mm×500 mm×10 mm。连接形式为中间板和上下板之间为Tie绑定。边界形式为固定底板，在上板施加=－10 mm的位移。图1为连接形式示意图，图2为边界形式示意图。

图1 连接形式

图2 边界形式

方案一：三层板定义材料为316 H，采用实体单元。

方案二：上下两层板的材料是316 H，采用实体单元，中间板定义粘结单元。

2.2 分析结果

通过静力分析，两种分析方案得到的应力结果如图3和图4所示，从结果可以看到方案一的最大应力为1.2 e4MPa，方案二的最大应力为1.0 e-8MPa。图5和图6所示为位移的云图，从结果可看出方案一将板子完全绑定在一起，不会发生移动，而方案二的位移云图中上板的位移几乎就是10 mm。

图3 方案一的应力云图

图4 方案二的应力云图

图5 方案一位移云图

图6 方案二的位移云图

3 确定粘结单元的刚度

在定义粘结单元时，一个关键的参数就是三个方向的刚度，分别是，1，2，经过多次验算，提取方案一和方案二中下板与中间板的内力，如果方案二与方案一相比，内力几乎为0，这样就说明在方向是基本不受力，满足此方向放开的要求，图7和图8是下板的内力云图。

图7 方案二下板的内力云图

图8 方案一下板的内力云图

提取接触面的内力，从表1中可以看到，方案二和方案一相比，内力几乎为0.

表1 不同分析方案的内力

内力NFORC1/N 方案一1.148 9e8 方案二0.001 443

确定粘结单元的三向刚度为：=1e10 MPa，1=1e－10 MPa，2=1e－10 MPa。

4 结论

本文将粘结单元引入到中间热交换器结构之间连接关系中，模拟轴向放开，径向约束的这种连接形式，并通过一个算例，计算粘结单元的三向刚度，为中间热交换器的整体力学分析提供技术支撑，同时在其他设备中有同样的约束形式，也可采用此粘结单元。

［1］刘展.ABAQUS6.6基础教程和实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.

〔编辑：严丽琴〕

2095－6835（2018）19－0148－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.148