An optimal design method is adopted for a spacer grid in nuclear power plant. It is made of punched sheet metal, functioning as springs and dimples which support fuel rods. For stress analysis of the assembled structure, a typical cell out of the repeated pattern in the assembly is modeled using 4-node shell elements. A commercial code, ABAQUS, is used for detailed analysis of contacting phenomena with friction.
For the optimization, design variables are taken from geometric parameters representing the shape of the arch type spring part and the mating contact region with fuel rod. Several objective functions are considered in relation to mechanical functions and durability. Maximum von Mises stress, maximum contact stress, and wear rate per area are examples used. Interference between the spacer grid structure and the fuel rod is assumed prescribed. The objective functions are well optimized. The optimized shapes and resulting performances are discussed and shown very satisfactory. The method is illustrated as a good design tool for structures such as this that has rather complex mechanical behavior due to friction and wear.
핵발전소내의 지지격자에 대해 최적설계를 수행하였다. 지지격자는 금속판으로 만들어져 핵연료봉을 지지하는 스프링과 딤플의 역할을 한다. 지지격자체의 응력해석을 위해서 지지격자체의 반복구조로부터 4절점 쉘요소를 이용하여 모델링하였다. 세부적인 마찰접촉해석을 위해 상용프로그램인 ABAQUS를 이용하였다. 최적화를 위해 설계변수들은 스프링형상과 연료봉과의 접촉부의 형상에 대한 인자들에서 선택하였다. 여러개의 목적함수들이 기계적인 성능과 내구성과 관련되어 설정되어졌다. 최대등가응력, 최대접촉응력, 그리고 마멸량이 그 예들이다. 지지격자와 연료봉 사이엔 초기에 겹침이 있다고 가정한다. 목적함수는 최적화되어졌다. 최적화된 형상과 결과는 상세히 적혀있으며 매우 만족스럽다. 사용되어진 방법은 마찰과 마멸로 인해 다소 복잡한 기계적인 작용이 수반되는 이와 같은 구조물에 대해 좋은 설계방법으로 제시되고 있다.
