Tenue à la pression des tapes GV mécano-vissées

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1 Journée des utilisateurs de Code_Aster 2010 Tenue à la pression des tapes GV mécano-vissées EDF SEPTEN RE/TM Y. Mézière SOM Groupe ORTEC S. Gouater N. Ranchon 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 1

2 Plan de la présentation Contexte et objectif Modélisation de la tape GV Présentation des calculs Résultats Perspectives Conclusions 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 2

3 Contexte et objectif Localisation des tapes GV : 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 3

4 Contexte et objectif Intérêt des tapes GV : Assurer l étanchéité dans les boites à eau des générateurs de vapeur lors des opérations de déchargement/rechargement du combustible en période d arrêt de tranche (intervention dans le bol GV lors de la remise en eau du CPP). 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 4

5 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 5

6 Modélisation de la tape GV Maillage des tapes GV : - Maillage réglé (IDEAS NX5) comportant 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 6

7 Présentation des calculs 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 R p0,2, R m et A%, - Pour les vis : critère de plasticité global (identifié suivant le cas test «SSNL106» : poutre élastoplastique en traction et en flexion pure). Matériaux Module Limite Limite à la Température d Young d élasticité rupture T ( C) E (MPa) R p0,2 (MPa) R m (MPa) Allongement à la rupture (%) Tape Aluminium Visserie Acier Etrier Acier /03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 7

8 Présentation des calculs - Pour le joint élastomère : comportement élastique (identification du module d Young en utilisant un essai d écrasement), Comparaison Calcul/Essais Courbe écrasement Force axiale dans la vis (N) Ecrasement B Ecrasement C Ecrasement moyen Contact 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Déplacement du joint (mm) 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 8

9 Présentation des calculs 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 9

10 Présentation des calculs 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). σ R m Rp 0,2 σflow σ 0,2% A% ε σflow /E ε 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 10

11 Présentation des calculs 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 11

12 Présentation des calculs 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) : D épreuve De service Exceptionnelle D intégrité D exploitation mécanique Pression 1,33 bars 2,00 bars 2,60 bars 5,00 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). 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 12

13 Résultats Calcul élastoplastique : - 1 journée de calcul pour les 4 cas considérés (calculs en local), - Espace mémoire de 2 Go et 24 heures, 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 13

14 Résultats Calcul plastique parfait : - 4 jours de calcul jusqu à la divergence (serveur Bull), - Classe 12 Go et 100 heures, nœuds de contact, - Divergence à 9,8 bars (1 ères 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). 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 14

15 Résultats - Allongement relatif des vis Pression - Allongement 0,900 0,800 0,700 Allongement (mm) 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 VIS 7 VIS 8 VIS 9 Pression - Allongement relatif 0,100 0,120 0,000 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Pression (Bars) Déplacement relatif Dz (mm) 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 VIS 1 VIS 2 VIS 3 VIS 4 VIS 5 VIS 6 0,000 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Pression (Bars) 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 15

16 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 : Y +σf X -Yo -Yo σf -Y0 θ θ0 ETAT LIMITE D'UNE POUTRE CYLINDRIQUE EN TRACTION + FLEXION MOMENT EQUIVALENT (N.mm) R = 10 mm, SF = 600 MPa 2 ML = σf cos 3 R N [ + sin( θ ) ( θ )] [ ( ) ] 2 y0tg θ0 R θ σ f L = πr² σ f + 2 ² EFFORT NORMAL (N) 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 16

17 Résultats - Torseurs des efforts limites des différentes vis : 2 2 N = F Z M = M X + M Y EFFORT_MOMENT EFFORT_MOMENT M (N.mm) , , , , ,00 Vis 1 Vis 2 Vis 3 Vis 4 Vis 5 Vis 6 N-M M20 M (N.mm) , , , , , , , , , Vis 7 Vis 8 Vis 9 N-M M12 N (N) N (N) - 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). 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 17

18 Résultats Validation de la modélisation numérique par rapport aux essais : PRESSION (bar). 9 Cohérence avec les résultats obtenus lors d un essai réalisé en octobre Débit 1994 de sur fuite le site du Rivier d Allemont : 9,4 bars relatif pour l effacement 7 de la tape. 6 Utilisation des résultats : 5 ESSAI HYDRAULIQUE TAPE GV -4 Torseurs disponibles pour l ensemble de la visserie permettant d étudier leur tenue, 40 3 Pression - Contraintes disponibles pour toute la surface du joint et 2 notamment à l interface tape/joint/support ce qui permettra 20 1 d analyser ultérieurement la pression d assise permettant de statuer 0 sur l étanchéité de l ensemble INSTANT (s) Pult = 9.4 bars DEBIT DE FUITE (l/min) 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 18

19 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 19

20 Perspectives Modélisation complète de la tape (élastoplastique) : - Duplication du ¼ de modèle : éléments, - 1 semaine de calcul pour les 4 cas considérés avec parallélisation sur le serveur Bull (196 heures CPU), - Classe MPI 16 Go et 200 heures (4 processeurs), 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 20

21 Perspectives Modélisation complète de la tape (plastique parfait) : - 4 semaines de calcul jusqu à la divergence avec parallélisation sur le serveur Bull (670 heures CPU après trois poursuites), - Classe MPI 16 Go et 200 heures (4 processeurs), 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 21

22 Perspectives Nouveaux essais d écrasement du joint : Essais réalisé par Garlock en JOINT TOUT PALIER (h = 5 mm) F2.1 F2-2 F2-3 F F2-5 -F (kn) F U (mm) Prise en compte du comportement réel du joint : matériau hyper élastique de type Mooney-Rivlin. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 22

23 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. 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 23

24 Conclusion MERCI DE VOTRE ATTENTION 16/03/2010 Journée annuelle des utilisateurs de Code_Aster 24

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