A two-dimensional finite element method for analysis of solid body contact problems in fuel rod mechanics
Description
Two computer codes for the analysis of fuel rod behavior have been developed. Fuel rod mechanics is treated by a two-dimensional, axisymmetric finite element method. The program KONTAKT is used for detailed examinations on fuel rod sections, whereas the second program METHOD2D allows instationary calculations of whole fuel rods. The mechanical contact of fuel and cladding during heating of the fuel rod is very important for it's integrity. Both computer codes use a Newton-Raphson iteration for the solution of the nonlinear solid body contact problem. A constitutive equation is applied for the dependency of contact pressure on normal approach of the surfaces which are assumed to be rough. If friction is present on the contacting surfaces, Coulomb's friction law is used. Code validation is done by comparison with known analytical solutions for special problems. Results of the contact algorithm for an elastic ball pressing against a rigid surface are confronted with Hertzian theory. Influences of fuel-pellet geometry as well as influences of discretisation of displacements and stresses of a single fuel pellet are studied. Contact of fuel and cladding is calculated for a fuel rod section with two fuel pellets. The influence of friction forces between fuel and cladding on their axial expansion is demonstrated. By calculation of deformations and temperatures during an instationary fuel rod experiment of the CABRI-series the feasibility of two-dimensional finite element analysis of whole fuel rods is shown. (orig.)
Abstract (German)
Es werden zwei Rechenprogramme zur Analyse des Brennstabverhaltens entwickelt. Die Behandlung der Brennstabmechanik erfolgt mit einer zweidimensionalen achsensymmetrischen Finite-Elemente-Methode. Waehrend das Programm KONTAKT fuer Detailuntersuchengen an Brennstabausschnitten verwendet wird, ist das zweite Programm METHOD2D fuer instationaere Berechnungen ganzer Reaktorbrennstaebe konzipiert. Fuer die Integritaet des Huellrohrs ist der mechanische Kontakt zwischen Brennstoff und Huellrohr bei der Erwaermung des Brennstabs von grosser Bedeutung. Beide Rechenprogramme verwenden eine Newton-Raphson-Iteration zur Loesung des nichtlinearen Festkoerperkontakproblems. Fuer den Zusammenhang zwischen oberflaechennormaler Annaeherung und Kontaktdruck, der als rauh angenommenen Festkoerper, wird eine konstitutive Gleichung verwendet. Tritt Reibung zwischen den kontaktierende Oberflaechen auf, so wird das Coulombsche Reibungsgesetz benutzt. Die Rechenprogrammvalidierung wird durch Vergleich mit bekannten analytischen Loesungen spezieller Aufgaben durchgefuehrt. Ergebnisse des Kontaktalgorithmus fuer eine elastische Kugel, die gegen eine starre Oberflaeche drueckt, werden der Hertzschen Theorie gegenuebergestellt. An einer einzelnen Brennstofftablette wird der Einfluss der Tablettengeometrie sowie der Einfluss der Diskretisierung auf Verformungen und berechnete Spannungen untersucht. Der Kontakt zwischen Brennstoff und Huellrohr wird fuer einen Brennstabausschnitt mit zwei Brennstofftabletten berechnet. Der Einfluss der Reibkraefte zwischen Brennstoff und Huellrohr auf ihre axiale Laengung wird demonstriert. Anhand der Berechnung der Verformung und der Temperaturen waehrend eines instationaeren Brennstabexperiments der CABRI-Serie wird gezeigt, dass zweidimensionale Finite-Elemente Untersuchungen an ganzen Brennstaeben moeglich sind. (orig.)
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Additional details
Additional titles
- Original title (German)
- Eine zweidimensionale Finite-Elemente-Methode zur Behandlung von Festkoerperkontaktproblemen in der Brennstabmechanik
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 138 p.
- Report number
- KFK--4420
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 19106262
- Subject category
- S22: GENERAL STUDIES OF NUCLEAR REACTORS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; ANALYTICAL SOLUTION; BOUNDARY CONDITIONS; CRACKS; DATA COVARIANCES; FINITE ELEMENT METHOD; FLOWSHEETS; FRICTION; FUEL RODS; K CODES; M CODES; MECHANICS; MESH GENERATION; NEWTON METHOD; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS; PLUTONIUM OXIDES; TWO-DIMENSIONAL CALCULATIONS; VARIATIONAL METHODS; VECTORS
- Descriptors DEC
- ACTINIDE COMPOUNDS; CHALCOGENIDES; COMPUTER CODES; DIAGRAMS; DIFFERENTIAL EQUATIONS; EQUATIONS; FUEL ELEMENTS; INFORMATION; ITERATIVE METHODS; NUMERICAL SOLUTION; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; PLUTONIUM COMPOUNDS; REACTOR COMPONENTS; TENSORS; TRANSURANIUM COMPOUNDS