Tenue à la pression des tapes GV mécano-vissées · de serrage équivalent) et d’une répartition dissymétrique des moments au niveau des vis (symétrie des efforts bien retrouvée)

16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 1

Tenue à la pression des tapes GV mécano-vissées

S. Gouater

N. Ranchon

EDF SEPTEN RE/TM

Y. Mézière

SOMGroupe ORTEC

Journée des utilisateurs de Code_Aster 2010


Plan de la présentation

• Contexte et objectif

• Modélisation de la tape GV

• Présentation des calculs

• Résultats

• Perspectives

• Conclusions


Contexte et objectif

• Localisation des tapes GV :


• Intérêt des tapes GV :Assurer l’étanchéité dans les boites à eau des générateurs de vapeur lors des opérations de

Contexte et objectif

• Objectif de l’étude :- Vérifier la tenue mécanique à la pression des tapes GV par

calcul éléments finis,- Déterminer la pression ultime conduisant à l’effacement de la tape.

déchargement/rechargement du combustible en période d’arrêt de tranche (intervention dans le bol GV lors de la remise en eau du CPP) .


Modélisation de la tape GV

• Structure des tapes GV :- Deux parties latérales évidées en leur centre,- Une partie centrale s’encastrant sur les parties latérales, - Deux étriers de renforts munis d’une poignée,- Deux étriers de sécurité prenant appui sur la couronne de fixation, - Un joint élastomère circulaire assurant l’étanchéité.


Modélisation de la tape GV

• Maillage des tapes GV :- Maillage réglé (IDEAS NX5) comportant 51017 éléments,- Parties massives (tape, étriers, anneau support et joint) maillées

en éléments volumiques de type hexaèdre linéaire,- Parties filaires (visserie) maillées en éléments finis de type

poutre.


• Logiciels :Code_Aster V9.04 et Salome Meca V3.2.6

• Caractéristiques matériaux mis en œuvre :- Pour les parties métalliques (acier et aluminium) : comportement

élastoplastique bilinéaire basé sur les valeurs codifiées de Rp0,2, Rm et A%,- Pour les vis : critère de plasticité global (identifié suivant le cas

test « SSNL106 » : poutre élastoplastique en traction et en flexion pure).

Présentation des calculs

TempératureModule d’Young

Limite d’élasticité

Limite à la rupture

T (°C) E (MPa) Rp0,2 (MPa) Rm (MPa)

Tape Aluminium 20 69000 115 275 16Visserie Acier 20 213000 500 700 13Etrier Acier 20 203000 800 950 12

Allongement à la rupture (%)

Matériaux



- Pour le joint élastomère : comportement élastique (identification du module d’Young en utilisant un essai d’écrasement),

Courbe écrasementComparaison Calcul/Essais

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Déplacement du joint (mm)

For

ce a

xial

e da

ns la

vis

(N

)

Ecrasement B

Ecrasement C

Ecrasement moyen

Contact



• Mise en place d’un modèle de vis permettant :- La prise en compte du pré-serrage des vis de fixation (couple de

serrage nominal) sur l’anneau GV et l’écrasement du joint :� Application d’un gradient thermique sur les poutres,

- Le couplage entre la vis et les corps en vis-à-vis (joint, étrier, corps de la tape, anneau support) :

� Tête et pied des vis : option 3D-POU de LIAISON ELEM,� Corps des vis : LIAISON GROUP.



• Lois de comportement :

- Définition des courbes de traction :- Option TRACTION pour les modèles 3D

volumiques (tape et étriers),- Option ECRO_LINE pour les poutres (vis).

- Définition des lois de comportements incrémentales :

- VMIS_ISOT_TRAC pour les modèles 3D volumique (tape et étriers),

- VMIS_POU_LINE pour les poutres (vis).

σflow

ε

σ

σflow /E

0,2% A%

Rp0,2

Rm

ε

σ



• Définition du contact :- 3 zones de contact :

- Partie centrale / partie latérale,- Partie centrale / étrier de renfort,- Partie latérale / étrier de sécurité.

- Type de contact :- Métal-métal sans frottement, - Dans le plan (x,y) uniquement,- Méthode des contraintes actives (option CONTRAINTE).

• Couplages :- Tête et pied des vis (option 3D-POU de LIAISON ELEM),- Corps des vis (LIAISON GROUP),- Face inférieure de l’anneau support.



• Chargements :- Pré-serrage des vis de fixation sur l’anneau GV par application d’un gradient thermique,

- Application des pressions (calcul élastoplastique de 0 à 5 bars) :

- Application d’un gradient de pression croissant afin de déterminer la pression ultime (calcul plastique parfait de 0 bar jusqu’à la divergence du calcul).

Exceptionnelle D’intégritéD’exploitation mécanique

Pression 1,33 bars 2,00 bars 2,60 bars 5,00 bars

D’épreuve De service


Résultats

• Calcul élastoplastique :- 1 journée de calcul pour les 4 cas considérés (calculs en local),- Espace mémoire de 2 Go et 24 heures,- 800 nœuds de contact,- Pour tous les chargements de pression appliqués sur la tape

GV, les contraintes équivalentes engendrées sont inférieures à la limite à la rupture des matériaux utilisés.


Résultats

• Calcul plastique parfait :- 4 jours de calcul jusqu’à la divergence (serveur Bull),- Classe 12 Go et 100 heures, - 800 nœuds de contact,- Divergence à 9,8 bars (1ères ruptures au niveau des vis 7, 4 et 5) :

� Rupture de la vis de fixation du renfort (n°7) sur la tape puis des vis de fixation de la tape sur le support (n°4 et n°5).


Pression - Allongement

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

Pression (Bars)

Allo

ngem

ent (

mm

)

VIS 7

VIS 8

VIS 9

Résultats

Pression - Allongement relatif

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

Pression (Bars)

Dép

lace

men

t rel

atif

Dz

(mm

)

VIS 1

VIS 2

VIS 3

VIS 4

VIS 5

VIS 6

- Allongement relatif des vis


Résultats

- Interprétation : définition des efforts et moments limites d’une poutre de section circulaire soumise à un moment de flexion M et à un effort normal N :

+σf

−σf

X

Y

-Yo

-Yo

-Y0

θθθθ0

θθθθ

( ) ( )[ ]003 1

3

2 θ−θ+σ= cossinRM fL

( )[ ] ffL ²Rtgy²RN σθ−θ+σπ= 00202

ETAT LIMITE D'UNE POUTRE CYLINDRIQUE EN TRACTION + FLEXION

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000

EFFORT NORMAL (N)

MO

ME

NT

EQ

UIV

ALE

NT

(N

.mm

)

.

R = 10 mm, SF = 600 MPa


Résultats

EFFORT_MOMENT

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

0,00 50000,00 100000,00 150000,00 200000,00

N (N)

M (N

.mm

)

Vis 1

Vis 2

Vis 3

Vis 4

Vis 5

Vis 6

N-M M20

- Torseurs des efforts limites des différentes vis :

- Effacement de la tape initiée par la rupture des vis :�N°7 (fixation du renfort sur la tape),�N°4 et n°5 (fixation de l’étrier de sécurité et de l a tape sur

l’anneau support et fixation de la partie centrale sur l’anneau support),(Courbe limite non atteinte car le modèle analytique ne prend pas en compte les efforts de cisaillement et le moment de torsion).

N = FZ22YX MMM +=

EFFORT_MOMENT

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

0,00 10000,00 20000,00 30000,00 40000,00 50000,00 60000,00 70000,00 80000,00

N (N)

M (N

.mm

) Vis 7

Vis 8

Vis 9

N-M M12


Résultats

• Validation de la modélisation numérique par rapport aux essais :Cohérence avec les résultats obtenus lors d’un essai réalisé en octobre 1994 sur le site du Rivier d’Allemont : 9,4 bars relatif pour l’effacement de la tape.

• Utilisation des résultats :- Torseurs disponibles pour l’ensemble de la visserie permettant d’étudier leur tenue,- Contraintes disponibles pour toute la surface du joint et notamment à l’interface tape/joint/support ce qui permettra d’analyser ultérieurement la pression d’assise permettant de statuer sur l’étanchéité de l’ensemble.

ESSAI HYDRAULIQUE TAPE GV

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

INSTANT (s)

PR

ES

SIO

N (

bar)

.

0

20

40

60

80

100

120

DE

BIT

DE

FU

ITE

(l/m

in)

Pression

Débit de fuite

Pult = 9.4 bars


Perspectives

• Modélisation complète de la tape :- Modéliser un serrage réaliste des vis via des résultats d’essais de montage,- Possibilité d’étudier l’influence de la perte de vis.


Perspectives

• Modélisation complète de la tape (élastoplastique) :- Duplication du ¼ de modèle : 201704 éléments, - 1 semaine de calcul pour les 4 cas considérés avec parallélisationsur le serveur Bull (196 heures CPU),- Classe MPI 16 Go et 200 heures (4 processeurs),- 3200 nœuds de contact (méthode GCP),- Cohérence des résultats par rapport au ¼ de modèle à l’exception du pré-serrage (écrasement plus important du joint pour un couple de serrage équivalent) et d’une répartition dissymétrique des moments au niveau des vis (symétrie des efforts bien retrouvée) :

� Influence du pré-serrage,� Et/ou de la gestion du contact,� Et/ou influence de la raideur du joint.


Perspectives

• Modélisation complète de la tape (plastique parfait ) :- 4 semaines de calcul jusqu’à la divergence avec parallélisationsur le serveur Bull (670 heures CPU après trois poursuites),- Classe MPI 16 Go et 200 heures (4 processeurs),- 3200 nœuds de contact (méthode GCP),- Résultats différents par rapport à ceux du ¼ de modèle : divergence à 12,4 bars et répartition dissymétrique des moments au niveau des vis (symétrie des efforts bien retrouvée) :

� Influence du pré-serrage,� Et/ou de la gestion du contact,� Et/ou influence de la raideur du joint.


Perspectives

• Nouveaux essais d’écrasement du joint :Essais réalisé par Garlock en 2010.

JOINT TOUT PALIER (h = 5 mm)

0

50

100

150

200

250

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

-U (mm)

-F (

kN)

F2.1

F2-2

F2-3

F2-4

F2-5

F2-6

Prise en compte du comportement réel du joint : matériau hyper élastique de type Mooney-Rivlin.


Conclusion

• Validation de la tenue à la pression de la tape GV :Cohérence globale entre l’essai et les simulations numériques :- Tenue à la pression vérifiée jusqu’à 5 bars,- Effacement de la tape à partir de 9,8 bars (9,4 bars pour l’essai).

• Limite des simulations numériques réalisées :Comportement du joint modélisé en élasticité avec un module d’Young très faible (E = 30 MPa) d’où un manque de rigidité de la liaison tape/support : apparition « d’efforts parasites » au niveau des vis (moments de flexion) et de problèmes de convergence.

• Perspective :L’identification du comportement réel du joint (plus rigide en décompression qu’en compression) doit conduire à de meilleurs résultats tant du point de vue de la détermination du torseur des efforts sur les vis que de la mise en œuvre numérique.


Conclusion

MERCI DE VOTRE ATTENTION

Documents

Tenue à la pression des tapes GV mécano-vissées · de serrage équivalent) et d’une répartition dissymétrique des moments au niveau des vis (symétrie des efforts bien retrouvée)