등가하중을 이용한 원자력 핵연료봉 지지격자 스프링의 비선형 응답 구조최적설계

Abstract

핵연료봉 지지격자체는 핵연료 집합체의 한 부분이다. 지지격자체는 스프링을 가지고 있으며 핵연료봉을 건전하게 지지하는 역할을 한다. 재료비선형은 스프링의 변형에 영향을 미친다. 하지만 지금까지 지지격자체의 연구에서 비선형성은 고려되지 않았다. 따라서 비선형성을 고려하기 위하여 등가하중을 이용한 비선형 응답 최적설계(nonlinear response optimization using equivalent loads, NROEL)법을 적용한 형상최적설계에 대해 연구하였다. 비선형성을 갖는 시스템의 민감도 기반 구조최적설계 적용 예는 거의 찾아보기 힘들다. 이는 비선형 민감도 계산이 매우 어렵고 고가의 비용이 요구되기 때문이다. 등가하중을 이용한 비선형 응답 최적설계법은 선형 해석 시 비선형 해석으로부터 발생하는 반응장과 동일한 반응장을 유발시키는 등가하중을 계산하고, 계산된 등가하중을 선형최적설계 알고리듬에 적용하는 방법이다. 스프링의 응력이 이완되고 스프링력이 저하되는 현상이 일어나면 스프링이 초기의 힘을 유지하지 못하게 된다. 최대 응력을 줄이면 응력이 이완되고 스프링력이 저하된 상태에서도 현재의 지지격자체 보다 많은 양의 힘을 유지한다. 때문에 최대응력을 줄이는 방법을 목적으로 한다. 또한 임의의 하중을 가한 후 그 하중을 제거 했을 때 스프링의 기본 변형위치에서 일정한 힘 이상을 가져야 한다. 따라서 최대응력을 줄이면 하중을 가하고 제거 했을 때 스프링이 요구되어 지는 힘 이상을 유지할 수 있다. NROEL을 이용한 형상최적설계의 결과는 비선형 해석을 통하여 검증한다.; The spacer grid set is a part of a nuclear fuel assembly. The set has a spring and the spring supports the fuel rods safely. Although material nonlinearity is involved in the deformation of the spring, nonlinearity has not been considered in design of the spring. Recently a nonlinear response structural optimization method has been developed using equivalent loads. It is called nonlinear response optimization equivalent loads (NROEL). In NROEL, the external loads are transformed to the equivalent loads (EL) for linear static analysis and linear response optimization is carried out based on the EL in a cyclic manner until the convergence criteria are satisfied. EL is the load set which generates the same response field of linear analysis as that of nonlinear analysis. Shape optimization of the spring is carried out based on EL. The objective function is defined by minimizing the maximum stress in the spring while mass is limited and the support force of the spring is larger than a certain value. The results are verified by nonlinear response analysis. ABAQUS is used for nonlinear response analysis and GENESIS is employed for linear response optimization.