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反应容器转轮超静定支撑系统的载荷分析

彭先龙 郭蓉 胡锡文 徐磊 刘忠亮

彭先龙, 郭蓉, 胡锡文, 徐磊, 刘忠亮. 反应容器转轮超静定支撑系统的载荷分析[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240145
引用本文: 彭先龙, 郭蓉, 胡锡文, 徐磊, 刘忠亮. 反应容器转轮超静定支撑系统的载荷分析[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240145
PENG Xianlong, GUO Rong, HU Xiwen, XU Lei, LIU Zhongliang. Load Analysis of Statically Indeterminate Support Systems for Reaction Vessel Wheels[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240145
Citation: PENG Xianlong, GUO Rong, HU Xiwen, XU Lei, LIU Zhongliang. Load Analysis of Statically Indeterminate Support Systems for Reaction Vessel Wheels[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240145

反应容器转轮超静定支撑系统的载荷分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240145
基金项目: 乏燃料后处理科研专项(KY22002)
详细信息
    通讯作者:

    彭先龙(1982—),男,副教授,博士,研究方向为齿轮传动设计理论、制造技术等,E-mail: pxljsh@xust.edu.cn

  • 中图分类号: TH132

Load Analysis of Statically Indeterminate Support Systems for Reaction Vessel Wheels

  • 摘要:

    转轮支撑结构是后处理反应容器的重要组成部分,为提高反应容器的安全强度,该支撑系统采用超静定结构,针对支撑辊子的强度和系统的均载性问题,本文基于能量法,引入拉格朗日乘数,结合能量守恒定律解算各辊子上的法向力,进而求解出弯曲应力和接触应力;建立简易三维模型,使用有限元软件分析各辊子的应力分布和变化规律,并通过实验对结果进行验证;定义载荷分配系数,通过SPSSAU分析得出各制造误差对载荷分配系数的影响规律. 结果表明:辊子的最大弯曲应力为42 MPa,远小于材料屈服强度;有限元结果与理论结果的最大误差约为8%,并通过辊子的应变实验验证该方法的准确性;载荷分配系数与辊子弧面曲率半径呈负相关,与转轮弧面曲率半径呈正相关.

     

  • 图 1  反应容器组件支撑结构示意

    Figure 1.  Support structure of reaction vessel assembly

    图 2  辊子与转轮的接触示意

    Figure 2.  Contact between roller and wheel

    图 3  受力分析

    Figure 3.  Stress analysis

    图 4  辊子的受力

    Figure 4.  Force of the roller

    图 5  不同网格数量下的接触应力平均值

    Figure 5.  Average value of contact stress under different grid numbers

    图 6  整体结构的网格划分

    Figure 6.  Grid partitioning of overall structure

    图 7  静止工况下辊子的弯曲应力

    Figure 7.  Bending stress of rollers in static working conditions

    图 8  完全支撑情况下辊子的弯曲应力

    Figure 8.  Bending stress of rollers under full support

    图 9  运转工况下辊子的接触应力

    Figure 9.  Contact stress of rollers in operating conditions

    图 10  完全支撑情况下辊子的接触应力

    Figure 10.  Contact stress of rollers under full support

    图 11  辊子应变测点位置

    Figure 11.  Measurement point location of roller strain

    图 12  粘贴应变片实物图

    Figure 12.  Physical image of pasted strain gauges

    图 13  大转轮运转一圈时辊子的应变曲线

    Figure 13.  Strain curves of rollers during one rotation cycle of large wheels

    图 14  完全支撑情况下实验与理论结果对比

    Figure 14.  Comparison of experimental and theoretical results under full support

    图 15  制造误差对载荷分配系数的影响曲线

    Figure 15.  Influence curves of manufacturing errors on load distribution factors

    表  1  加载的物料重量

    Table  1.   Weight of loaded materials

    编号Gw1Gw2Gw3Gw4Gw5
    物料重量/kg24020016012080
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    表  2  转轮与辊子的尺寸参数

    Table  2.   Size parameters of wheel and roller

    参数 数值
    辊子接触截面半径 R11/mm 90
    转轮内径 R12/mm 1865
    辊子弧面曲率半径 R21/mm 162.5
    转轮弧面曲率半径 R22/mm 162.9
    转轮重力 Gr/N 49000
    物料总重力 Gw/N 7840
    辊子最大弯曲应力力臂 l/mm 124
    辊子最大弯曲应力处截面直径 d/mm 120
    接触长度 B/mm 80
    转轮与辊子弹性模量 E/MPa 210000
    摩擦系数 μ 0.003
    泊松比 ν 0.3
    转轮外径 R3/mm 1975
    转轮偏心圆半径 Rh/mm 1275
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    表  3  静止工况下各辊子受力

    Table  3.   Forces on each roller in static working conditions

    辊子编号 1# 8# 2# 7# 3# 6# 4# 5#
    支反力/N 4985 4985 7885 7885 10282 10282 11851 11851
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    表  4  运转工况下各辊子受力

    Table  4.   Forces on each roller in operating conditions

    辊子编号 1# 2# 3# 4#
    支反力/N 5192 8061 10578 12352
    辊子编号 5# 6# 7# 8#
    支反力/N 11351 9883 7580 4780
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    表  5  工况列表

    Table  5.   Working conditions

    工况编号 支撑状态 加载状况
    1 1#、8#辊子承载 静止工况
    2 运转工况
    3 4#、5#辊子承载 静止工况
    4 运转工况
    5 4#、8#辊子承载 静止工况
    6 运转工况
    7 1#~8#辊子承载 静止工况
    8 运转工况
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    表  6  解析解和有限元解的应力对比

    Table  6.   Stress comparison between analytical and finite element solutions

    工况编号 辊子编号 弯曲应力/MPa 接触应力/MPa
    解析解 有限元解 解析解 有限元解
    1 1# 41.546 42.220 567.9 577.3
    8# 41.546 42.240 567.9 576.7
    2 1# 41.722 42.220 568.7 577.6
    8# 41.372 41.760 567.1 573.6
    3 4# 21.506 22.800 456.0 457.3
    5# 21.506 22.900 456.0 456.1
    4 4# 21.868 22.500 458.6 461.7
    5# 21.145 21.360 453.4 451.5
    5 4# 37.249 36.86 547.6 545.0
    8# 11.132 16.99 366.1 379.7
    6 4# 37.355 37.79 548.2 552.1
    8# 10.930 11.37 363.9 361.4
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    表  7  部分支撑情况下实验与理论结果对比

    Table  7.   Comparison of experimental and theoretical results under partial support

    工况编号 辊子编号 弯曲应力/MPa 辊子编号 弯曲应力/MPa
    1(理论结果) 1# 41.55 8# 41.55
    1(实验结果) 41.98 30.12
    2(理论结果) 1# 41.72 8# 41.37
    2(实验结果)
    3(理论结果) 4# 21.51 5# 21.51
    3(实验结果) 28.39 20.97
    4(理论结果) 4# 21.87 5# 21.15
    4(实验结果) 31.91 29.95
    5(理论结果) 4# 37.25 8# 11.13
    5(实验结果) 26.13 14.04
    6(理论结果) 4# 37.36 8# 10.93
    6(实验结果) 35.31 14.72
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    表  8  制造误差因素水平表

    Table  8.   Factors and levels of manufacturing errors

    水平编码 R11/mm R12/mm R21/mm R22/mm l/mm d/mm
    −4 −0.046 −0.260 −0.057 −0.057 −0.040 −0.040
    4 0.046 0.260 0.057 0.057 0.040 0.040
    间隔 0.01150 0.06500 0.01425 0.01425 0.01000 0.01000
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    表  9  多元线性回归分析结果

    Table  9.   Multiple linear regression analysis results

    参数 未标准化系数 B 标准化系数 β B的95%置信区间 t p VIF
    取值 标准错误 下限 上限
    常数项 1.274 0.006 1.261 1.287 207.242 <0.001
    x1 −0.006 0 −0.709 −0.006 −0.006 −237.045 <0.001 1.000
    x2 0.006 0 0.705 0.006 0.006 235.855 <0.001 1.000
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-22
  • 修回日期:  2024-06-12
  • 网络出版日期:  2026-01-06

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