熱応力緩和構造モデル(2)供試体熱過渡強度試験; 第3報,構造不連続部熱弾性解析

Creep fatigue test of thermal stress mitigation structure model (2) under thermal transient loadings, 3; Thermo-elastic analysis on the structural discontinuity portions

笠原 直人; 渡士 克己; 岩田 耕司

Kasahara, Naoto; Watashi, Katsumi; Iwata, Koji

熱応力解析を行うための熱的境界条件設定法と、構造物の非弾性挙動予測法を開発するための基礎データを得ることを目的として、構造物強度確性試験装置TTSにより試験を行った熱応力緩和構造モデル(2)試供体の構造解析を行った。解析コードは汎用非線形構造解析システムFINASを使用し、非定常温度解析により熱過渡時の構造物の温度分布を計算し、得られた温度分布を荷重条件として熱弾性解析を実施した。また、熱的境界条件設定法の熱応力への影響感度を調べるために、設計解析で通常用いられる熱流動解析により設定した境界条件と、実験値による境界条件との間で算出応力の差を調べた。ここで実験値による境界条件とは、供試体内表面に取り付けた熱電対の温度変化を流体温度変化として解析モデルに与え外表面の温度応答が計測値と一致するように伝達係数を設定することにより得た、実際の温度分布に近い温度解析結果を与える熱的境界条件のことである。次に弾性解析結果を用いて構造物のクリープ疲労強度評価を行い破損データとの比較検討を行うことにより、弾性解析ベースの強度評価法の問題点を摘出した。解析結果は他の供試体のものとの比較が有効であるため、構造物強度データベースへの登録を行った。本解析を通して構造解析に対する以下の留意事項が明らかになった。(1)大型構造物の解析で通常使用される部分モデルは応力に加え温度に対する端部効果を考慮し、ピーク応力発生時点が著しく異なる部位を同一モデルに含めないようにする必要がある。(2)緩やかな熱過渡条件の場合には、対流の可能性のある外気やスタグナントNaにおける境界条件の不確定性が応力におよぼす影響が無視できず、本解析の範囲では最大25%の誤差があった。構造不連続部の非弾性挙動予測法開発のための知見として以下の結果が得られた。(3)胴板接合部と上部スカート分岐R部では、破損形態に大きな差異があるのに対し、弾性解析に基づいた従来の評価法ではクリープ疲労損傷値が同レベルであることから、非弾性挙動の影響が大きい部位であると考えられる。(4)多孔板については、従来から認識されていたリム・リガメント境界におけるき裂発生の他に、孔間貫通き裂のように弾性解析による予測が現状では困難な破損モードが存在する。

In order to clayify problems in elastic analyses of structures and to get fundamental data to develop evaluation methods of inelastic behaviors, we have carried out transient heat transfer analysis and thermo-elastic analysis on the Stress Mitigation Structure Model (2)tested by Thermal Transient Test Facility for Structures(TTS). Adopted Code is a universal non-linear structural analysis code FINAS. In the case of thermal transient structural analysis, points to which special attention should be paid are modeling of structures and thermal boundaries. Considering the former point, calculated results by part models were examined though comparing with a entire model. For the later one, influences of thermal boundaries on thermal stress were investigated. These analysis results were input to structural strength data base with the destructive inspection results to be compared with ones of other test models. Following results were obtained through this analytical study. (1)It was clarified that influences of boundary conditions were different between a entire analysis model and part models. (2)Heat convective conditions on the surfaces in open air spaces can not be ignored and should be considered. (3)Failure mode of an upper skirt was quite different from one of a plate to cylinder junction in spite of a small difference of elastical calculated damage. (4)It was found that there is such unexpected failure mode of a perforated plate as penetration clacks between holes. (5)Blastic analysis data of the Stress Mitigation Structure Model(2) was obtained for a structural strength database.