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研究生: 方柏仁
Fang, Bo-Ren
論文名稱: 彈塑性複合式處置罐受圍壓作用下之有限元素分析
The Finite Element Analysis of an Elastoplastic Composite Canister Under the Confining Pressure
指導教授: 王建力
Wang, Chein-Lee
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 資源工程學系
Department of Resources Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 89
中文關鍵詞: 放射性廢棄物處置罐彈塑性力學徑向應變率
外文關鍵詞: Canister, elastoplastic mechanic, radial strain percentage, Von Mises
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  • 核廢料處理問題日漸被重視,地質處置法是將高階核廢料裝填於放射性廢棄物處置罐中,並將處置罐置於地底深開挖之500公尺深之處置坑中存放,可將高階核廢料與生物圈隔離。本研究參考瑞典SKB公司所製造的KBS-3放射性廢棄物處置罐,為探討處置罐在圍壓環境中之穩定性,將針對其彈塑性力學行為作更近一步的分析。
    本研究使用有限元素軟體Abaqus建立一個三維應變模型,模型結構由銅外罐、鋼內罐與鋼材卡夾組成,以模擬處置罐在不同圍壓作用下的力學行為;又為了探討處置罐的幾何與邊界條件對處置罐本身的影響,於是調整了包括:卡夾的間距、卡夾偏移距離、卡夾內邊長度、卡夾與內罐介面接合情況與外罐的溫度加載設置;本研究分別對處置罐的內罐外壁與卡夾區域使用徑向應變率與位移量來進行位移分析,而使用Von Mises降伏準則評估卡夾材料之彈塑性區間。
    研究結果發現:(1)卡夾間距為2cm之模型變形程度最小。(2)卡夾偏移距離為0cm之模型變形程度最小。(3)卡夾內邊長度為15cm之模型變形程度最小。(4)在卡夾與內罐介面設置完美接合性質會使處置罐變形程度降低。(5)溫度設置從25℃至100℃之處置罐變形程度較處置罐溫度為恆溫25℃時大。
    關鍵字: 放射性廢棄物處置罐、彈塑性力學、徑向應變率、Von Mises。

    This study uses a finite element program, Abaqus, to evaluate the deformation of the elastoplastic composite canister under confining pressure. The parametric study was carried out by assuming different setups, boundary conditions and applied loadings.
    This study finds:
    1. The canister has the least deformation when cassette spacing is set at 2 cm.
    2. The canister has least deformation when cassette offsetting is set at 0 cm.
    3. The canister has least deformation when cassette side length is set at 15 cm.
    4. The canister has lower deformation when the interface between steel cassette and ductile cast iron is set bonded condition.
    5. The canister has larger deformation when the temperature is elevated from 25°C to 100°C than set the constant temperature at 25℃.

    Key words: Canister, elastoplastic mechanic, radial strain percentage,Von Mises.

    目錄 摘要 I Abstract II 致謝 II 目錄 XII 第一章緒論 1 1-1 研究背景與動機 1 1-2 研究目的與內容 2 1-3 論文內容 2 第二章文獻回顧 4 2-1 處置罐概念 5 2-2 處置罐置於最終地層處置系統之安全性相關研究 7 2-3 處置罐受圍壓作用之實驗 9 2-4 處置罐受靜力作用之2維度數值模擬 11 第三章理論與數值方法 13 3-1 塑性力學理論與法則 13 3-1-1 塑性流動法則 14 3-1-2 應變硬化 15 3-1-3 塑性增量理論 16 3-1-4 塑性全量理論 17 3-2 Von Mises降伏準則 18 3-3 熱傳導 20 3-4 有限元素法 22 3-5 有限元素軟體 SIMULIA Abaqus 23 3-6 模型建立 25 3-6-1 元素選取 25 3-6-2 基本假設 25 3-6-3 參考模型尺寸與網格建立 25 3-6-4 幾何設定 28 3-6-5 卡夾與內罐接觸面性質設定 30 3-6-6 溫度設定 32 3-7 參數設定 33 第四章結果與討論 35 4-1 三維度參考模型圍壓與位移之關係 35 4-2 幾何設定之差異對處置罐受壓後之結果影響 39 4-2-1 處置罐之不同卡夾間距的設定 39 4-2-2 處置罐之不同卡夾偏移距離的設定 50 4-2-3 處置罐之不同卡夾尺寸的設定 60 4-3 處置罐之卡夾與內罐介面接觸性質設定 71 4-4 溫度設置對處置罐受圍壓作用下之行為影響 78 第五章結論與建議 85 5-1 結論 85 5-2 建議 87 參考文獻 88

    參考文獻
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