结构模态分析中ABAQUS粘结单元的应用实践

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 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（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

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 U1=－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。