基于梁有限元模型构建屏蔽式核主泵数字样机方法与流程

本发明涉及基于梁有限元模型构建屏蔽式核主泵数字样机方法，属于核反应堆冷却剂泵设计和制造领域。

技术背景

核主泵是驱动核岛内高温高压高放射性工作介质循环，将反应堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽，推动汽轮机发电的装备，也是核岛内唯一的连续高速旋转的装备。核主泵作为一回路承压边界的组成部分，要求在各种复杂工况下高效稳定运行，不发生非计划停堆，工作介质严格无外泄漏。在地震、火灾等瞬变灾变极端工况下，依靠自身惯性维持运转，提供足够流量的工作介质带走反应堆芯余热。因此，核主泵设计与制造必须掌握核主泵运行动力学响应、噪声特性、抗震特性，以及零部件受力情况、应力分布和疲劳寿命等状况。

屏蔽式核主泵由水力机械部分—泵和驱动部分—电机两大部分组成，包括泵壳、泵轴、叶轮、飞轮、导轴承、定转子及屏蔽套、推力轴承等主要零部件。泵的叶轮和电机的转子固定在泵轴上，包容在与主回路连通的承压边界内，保证一回路冷却剂的零泄漏。泵壳、导叶、电机定子及屏蔽套等零部件装配构成泵壳组件。泵轴、叶轮、飞轮，电机转子及屏蔽套等零部件装配构成转子组件。转子组件自重和运行时叶轮水力载荷产生的轴向载荷由双向推力轴承支撑，径向载荷由导轴承支撑。推力轴承包括若干个推力瓦，推力瓦下方布置有上下平衡块和支撑板。当推力瓦载荷不均出现偏转时，通过平衡块自动调节各个瓦块上的分布载荷，使转子在一定程度的偏转瞬态工况下，各个瓦块仍可形成比较均匀的液膜压力。目前，屏蔽式核主泵的动力学响应、噪声特性、抗震特性等建模分析，主要考虑转子—轴承系统中导轴承和间隙环流的径向约束，忽略推力轴承对横纵向振动的耦合作用，导致推力轴承支撑系统振动及核主泵整体振动的评估困难。而且，现有的核主泵动力学特性分析模型通常只考虑一两种运行载荷作用，未能体现包括轴承润滑液膜力、间隙环流、离心力、电磁拉力、流体水动力及非正常工况的摩擦力等多种载荷的耦合作用。

2015年poganski等报道了“afullstructuralmechanicaldescriptionofbeamelementsforrotorsinelectricalmachines”论文，通过改变形函数，对电机转子timoshenko（铁木辛柯）梁进行有限元一致性描述。使用所开发的有限元程序分析电机转子结构行为，计算转子静态扭转载荷和系统扭转模式的扭曲变形，考虑具有自旋软化和陀螺效应的旋转阻尼系统，根据转速计算的本征频率分析了转子临界转速，且梁单元横截面翘曲影响显著，因而，翘曲的扩展有限元分析精度高于传统有限元分析方法。2016年cheng等报道了“dynamiceffectofannularflowwithfiniteaxiallengthontherotor”论文，针对屏蔽式核主泵有限轴向长度环流的动态力效应，建立了研究间隙环流对转子动力学特性影响的试验台，基于体流理论的二维环流模型分析，获得了间隙环流对转子的附加质量、阻尼和刚度矩阵，通过所提出的附加质量、阻尼和刚度矩阵修正系数，研究短轴间隙环流的三维效应，当环流作用的轴向长度变化时，动态流固耦合模型预测的实验台模态频率的变化与实验结果吻合，短的轴向长度环流动态力与轴向长度的平方正相关。

构建能够实现核主泵动力学响应、噪声特性、抗震特性等性能综合评估的数字样机具有重要工程意义。尽管包括核主泵水力机械部分—泵和驱动部分—电机的动力学特性数值仿真已开展了研究，但是，核主泵有限元模型数值仿真具有的多变量、强耦合、非线性特点，导致目前的数值模拟采取简化建模及求解过程，或者仅针对局部结构进行一两种运行载荷建模，尚无成熟的全面考虑屏蔽泵结构和多载荷特点的动力学特性分析方法，难以准确反映高温高压高放射性条件下核主泵的工作特性及性能。因此，发展多载荷梁有限元方法准确评估多载荷耦合作用下核主泵动力学响应、噪声特性、抗震特性、零部件受力分析等问题，可为核主泵的设计与制造提供基础，有效降低核主泵研制和运行成本。

技术实现要素：

本发明的目的和任务：克服现有核主泵性能仿真数值模型只考虑一两种运行载荷的作用，未能全面考虑多载荷和屏蔽泵转子耦合振动等动力学特性，无法准确评估核主泵动力学响应、噪声、抗震、受力分析等特性的问题。结合屏蔽式核主泵零部件构成及其所关联的物理过程，考虑屏蔽式核主泵全工况下地震载荷、叶轮水力载荷、飞轮离心力、扭矩载荷、摩擦载荷、电磁拉力，轴承液膜刚度与阻尼，以及间隙环流附加质量、刚度与阻尼等运行载荷的共同作用，构建屏蔽式核主泵数字样机。

本发明采用的技术方案是：基于梁有限元模型构建屏蔽式核主泵数字样机方法，核主泵三维数字样机包括核主泵几何建模模块、转子组件梁有限元建模模块、轴承支撑系统建模模块、泵壳组件梁有限元建模模块、核主泵总体建模模块、核主泵运行载荷数据库模块和核主泵性能分析模块，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵的泵壳、泵轴、叶轮、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承几何结构及其装配关系，建立用于核主泵梁有限元建模的几何模型，生成核主泵几何建模模块；

（2）在核主泵几何模型基础上，针对叶轮、飞轮、泵轴、电机转子及屏蔽套构成的转子组件，以timoshenko梁模型模拟转子组件的横向振动，以拉杆模型模拟转子组件的轴向振动，生成转子组件梁有限元建模模块；

（3）在核主泵几何模型基础上，针对推力轴承推力盘、推力瓦、上下平衡块和支撑板构成的轴承支撑系统，以上下平衡块的质量块模型模拟轴承支撑系统的转动和轴向振动，以推力瓦和支撑板的质量块模型模拟轴承支撑系统的轴向振动，生成轴承支撑系统建模模块；

（4）在核主泵几何模型基础上，针对泵壳、导叶、电机定子及屏蔽套构成的泵壳组件，以timoshenko梁模型模拟泵壳组件的横向振动，以拉杆模型模拟泵壳组件的轴向振动，生成泵壳组件梁有限元建模模块；

（5）集成转子组件梁有限元模型、轴承支撑系统模型和泵壳组件梁有限元模型，建立核主泵梁有限元总体模型；

（6）以核主泵运行参数作为输入，考虑全工况下地震载荷、叶轮水力载荷、飞轮离心力、扭矩载荷、摩擦载荷、电磁拉力，轴承液膜刚度与阻尼，以及间隙环流附加质量、刚度与阻尼，生成核主泵运行载荷数据库模块；

（7）在核主泵运行参数下，以运行载荷数据库模块为核主泵梁有限元总体模型的信息支撑，生成核主泵总体建模模块，构建核主泵三维数字样机；

（8）通过核主泵性能分析模块接收所述的核主泵三维数字样机，根据核主泵动力学响应和噪声分析、抗震特性分析、零部件受力分析的分析请求，调用梁有限元总体模型耦合计算数据作为输入，输出或基于物理过程运算后输出核主泵动力学性能仿真结果。

核主泵总体建模模块考虑梁有限元总体模型中，转子组件梁有限元模型所关联的叶轮水力载荷、飞轮离心力、电机转子及屏蔽套扭矩载荷与电磁拉力、非正常工况零部件间摩擦载荷、飞轮和屏蔽套间隙环流附加质量、刚度与阻尼作用，轴承支撑系统模型所关联的推力轴承液膜刚度与阻尼作用，泵壳组件梁有限元模型所关联的地震载荷、电机定子及屏蔽套电磁拉力作用，调用所述的核主泵运行载荷数据库模块的运行载荷，构建屏蔽式核主泵三维数字样机。

核主泵性能分析模块根据核主泵动力学响应和噪声的分析请求，调用核主泵运行载荷数据库中相应载荷作为输入，输出核主泵整体结构固有频率及振型、转子轴心轨迹和临界转速、泵壳振动，以及推力轴承支撑系统时程响应仿真结果，输出核主泵与主管道耦合的固有频率及振型，以及主管道振动响应仿真结果，基于核主泵结构振动响应，计算后输出核主泵振动噪声仿真结果，基于核主泵间隙环空的径向磁通密度和切向磁通密度，计算后输出电磁噪声仿真结果。

核主泵性能分析模块根据核主泵抗震特性的分析请求，调用核主泵运行载荷数据库中地震载荷谱作为输入，输出地震条件下核主泵动力学特性仿真结果。

核主泵性能分析模块根据核主泵零部件受力的分析请求，调用核主泵零部件变形和位移作为输入，输出核主泵零部件的内力及其之间的接触力。依据核主泵零部件受力分析的计算数据，调用零部件的内力及其之间的接触力，输出零部件疲劳寿命分析结果。

本发明的优点：基于梁有限元模型构建屏蔽式核主泵数字样机方法，与传统建模方法相比，全面考虑核主泵多载荷和屏蔽泵转子耦合振动的动力学特性，满足具有多变量、强耦合、非线性特点的核主泵性能仿真需求，准确评估多载荷耦合作用下核主泵动力学响应、噪声特性、抗震特性、零部件受力分析等动力学特性及性能，可为核主泵的设计与制造提供依据，降低核主泵研制和运行成本。

附图说明

图1是基于梁有限元模型构建屏蔽式核主泵数字样机方法的工作流程图。

图2是核主泵总体建模模块中零部件所关联的载荷作用示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步说明本发明的细节：

利用屏蔽式核主泵几何建模模块、转子组件梁有限元建模模块、轴承支撑系统建模模块、泵壳组件梁有限元建模模块、核主泵总体建模模块、核主泵运行载荷数据库模块和核主泵性能分析模块实现的梁有限元模型建模和耦合分析，提供了一种准确表征核主泵工作特性及性能，降低核主泵设计、制造和运行成本的屏蔽式核主泵数字样机构建方法。

实施例1将结合本发明附图，对本发明应用于核主泵动力学响应和噪声特性分析的实施例技术方案进行描述。

如图1所示，本发明提供的基于梁有限元模型构建屏蔽式核主泵数字样机方法，用于构建核主泵三维数字样机，包括核主泵几何建模模块、转子组件梁有限元建模模块、轴承支撑系统建模模块、泵壳组件梁有限元建模模块、核主泵总体建模模块、核主泵运行载荷数据库模块和核主泵性能分析模块，考虑核主泵动力学响应和噪声特性分析需求，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵的泵壳、泵轴、叶轮、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承几何结构及其装配关系，建立用于核主泵梁有限元建模的几何模型，生成核主泵几何建模模块；

（2）在核主泵几何模型基础上，针对叶轮、飞轮、泵轴、电机转子及屏蔽套构成的转子组件，以timoshenko梁模型模拟转子组件的横向振动，以拉杆模型模拟转子组件的轴向振动，生成转子组件梁有限元建模模块；

（3）在核主泵几何模型基础上，针对推力轴承推力盘、推力瓦、上下平衡块和支撑板构成的轴承支撑系统，以上下平衡块的质量块模型模拟轴承支撑系统的转动和轴向振动，以推力瓦和支撑板的质量块模型模拟轴承支撑系统的轴向振动，生成轴承支撑系统建模模块；

（4）在核主泵几何模型基础上，针对泵壳、导叶、电机定子及屏蔽套构成的泵壳组件，以timoshenko梁模型模拟泵壳组件的横向振动，以拉杆模型模拟泵壳组件的轴向振动，生成泵壳组件梁有限元建模模块；

（5）集成转子组件梁有限元模型、轴承支撑系统模型和泵壳组件梁有限元模型，建立核主泵梁有限元总体模型；

（6）以核主泵运行参数作为输入，考虑全工况下地震载荷、叶轮水力载荷、飞轮离心力、扭矩载荷、摩擦载荷、电磁拉力，轴承液膜刚度与阻尼，以及间隙环流附加质量、刚度与阻尼，生成核主泵运行载荷数据库模块；

（7）在核主泵运行参数下，以运行载荷数据库模块为核主泵梁有限元总体模型的信息支撑，生成核主泵总体建模模块，构建核主泵三维数字样机；

（8）通过核主泵性能分析模块接收所述的核主泵三维数字样机，根据核主泵动力学响应和噪声分析、抗震特性分析、零部件受力分析的分析请求，调用梁有限元总体模型耦合计算数据作为输入，输出或基于物理过程运算后输出核主泵动力学性能仿真结果。

如图2所示，核主泵总体建模模块在核主泵梁有限元总体模型中考虑的零部件所关联的载荷作用，包括转子组件梁有限元模型所关联的叶轮水力载荷、飞轮离心力、电机转子及屏蔽套扭矩载荷与电磁拉力、非正常工况零部件间摩擦载荷、飞轮和屏蔽套间隙环流附加质量、刚度与阻尼作用，轴承支撑系统模型所关联的推力轴承液膜刚度与阻尼作用，泵壳组件梁有限元模型所关联的地震载荷、电机定子及屏蔽套电磁拉力作用，调用核主泵运行载荷数据库模块的运行载荷，构建屏蔽式核主泵三维数字样机。

核主泵性能分析模块根据核主泵动力学响应和噪声的分析请求，调用核主泵运行载荷数据库中相应载荷作为输入，输出核主泵整体结构固有频率及振型、转子轴心轨迹和临界转速、泵壳振动，以及推力轴承支撑系统时程响应仿真结果，输出核主泵与主管道耦合的固有频率及振型，以及主管道振动响应仿真结果，基于核主泵结构振动响应，计算后输出核主泵振动噪声仿真结果，基于核主泵间隙环空的径向磁通密度和切向磁通密度，计算后输出电磁噪声仿真结果。

实施例2将结合本发明附图，对本发明应用于核主泵抗震特性分析的实施例技术方案进行描述。

如图1所示，本发明提供的基于梁有限元模型构建屏蔽式核主泵数字样机方法，用于构建核主泵三维数字样机，包括核主泵几何建模模块、转子组件梁有限元建模模块、轴承支撑系统建模模块、泵壳组件梁有限元建模模块、核主泵总体建模模块、核主泵运行载荷数据库模块和核主泵性能分析模块，考虑核主泵抗震特性分析需求，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵的泵壳、泵轴、叶轮、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承几何结构及其装配关系，建立用于核主泵梁有限元建模的几何模型，生成核主泵几何建模模块；

（2）在核主泵几何模型基础上，针对叶轮、飞轮、泵轴、电机转子及屏蔽套构成的转子组件，以timoshenko梁模型模拟转子组件的横向振动，以拉杆模型模拟转子组件的轴向振动，生成转子组件梁有限元建模模块；

（3）在核主泵几何模型基础上，针对推力轴承推力盘、推力瓦、上下平衡块和支撑板构成的轴承支撑系统，以上下平衡块的质量块模型模拟轴承支撑系统的转动和轴向振动，以推力瓦和支撑板的质量块模型模拟轴承支撑系统的轴向振动，生成轴承支撑系统建模模块；

（4）在核主泵几何模型基础上，针对泵壳、导叶、电机定子及屏蔽套构成的泵壳组件，以timoshenko梁模型模拟泵壳组件的横向振动，以拉杆模型模拟泵壳组件的轴向振动，生成泵壳组件梁有限元建模模块；

（5）集成转子组件梁有限元模型、轴承支撑系统模型和泵壳组件梁有限元模型，建立核主泵梁有限元总体模型；

（6）以核主泵运行参数作为输入，考虑全工况下地震载荷、叶轮水力载荷、飞轮离心力、扭矩载荷、摩擦载荷、电磁拉力，轴承液膜刚度与阻尼，以及间隙环流附加质量、刚度与阻尼，生成核主泵运行载荷数据库模块；

（7）在核主泵运行参数下，以运行载荷数据库模块为核主泵梁有限元总体模型的信息支撑，生成核主泵总体建模模块，构建核主泵三维数字样机；

（8）通过核主泵性能分析模块接收所述的核主泵三维数字样机，根据核主泵动力学响应和噪声分析、抗震特性分析、零部件受力分析的分析请求，调用梁有限元总体模型耦合计算数据作为输入，输出或基于物理过程运算后输出核主泵动力学性能仿真结果。

如图2所示，核主泵总体建模模块在核主泵梁有限元总体模型中考虑的零部件所关联的载荷作用，包括转子组件梁有限元模型所关联的叶轮水力载荷、飞轮离心力、电机转子及屏蔽套扭矩载荷与电磁拉力、非正常工况零部件间摩擦载荷、飞轮和屏蔽套间隙环流附加质量、刚度与阻尼作用，轴承支撑系统模型所关联的推力轴承液膜刚度与阻尼作用，泵壳组件梁有限元模型所关联的地震载荷、电机定子及屏蔽套电磁拉力作用，调用核主泵运行载荷数据库模块的运行载荷，构建屏蔽式核主泵三维数字样机。

核主泵性能分析模块根据核主泵抗震特性的分析请求，调用核主泵运行载荷数据库中地震载荷谱作为输入，输出地震条件下核主泵动力学特性仿真结果。

实施例3将结合本发明附图，对本发明应用于核主泵零部件受力分析的实施例技术方案进行描述。

如图1所示，本发明提供的基于梁有限元模型构建屏蔽式核主泵数字样机方法，用于构建核主泵三维数字样机，包括核主泵几何建模模块、转子组件梁有限元建模模块、轴承支撑系统建模模块、泵壳组件梁有限元建模模块、核主泵总体建模模块、核主泵运行载荷数据库模块和核主泵性能分析模块，考虑核主泵零部件受力分析需求，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵的泵壳、泵轴、叶轮、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承几何结构及其装配关系，建立用于核主泵梁有限元建模的几何模型，生成核主泵几何建模模块；

（2）在核主泵几何模型基础上，针对叶轮、飞轮、泵轴、电机转子及屏蔽套构成的转子组件，以timoshenko梁模型模拟转子组件的横向振动，以拉杆模型模拟转子组件的轴向振动，生成转子组件梁有限元建模模块；

（3）在核主泵几何模型基础上，针对推力轴承推力盘、推力瓦、上下平衡块和支撑板构成的轴承支撑系统，以上下平衡块的质量块模型模拟轴承支撑系统的转动和轴向振动，以推力瓦和支撑板的质量块模型模拟轴承支撑系统的轴向振动，生成轴承支撑系统建模模块；

（4）在核主泵几何模型基础上，针对泵壳、导叶、电机定子及屏蔽套构成的泵壳组件，以timoshenko梁模型模拟泵壳组件的横向振动，以拉杆模型模拟泵壳组件的轴向振动，生成泵壳组件梁有限元建模模块；

（5）集成转子组件梁有限元模型、轴承支撑系统模型和泵壳组件梁有限元模型，建立核主泵梁有限元总体模型；

（6）以核主泵运行参数作为输入，考虑全工况下地震载荷、叶轮水力载荷、飞轮离心力、扭矩载荷、摩擦载荷、电磁拉力，轴承液膜刚度与阻尼，以及间隙环流附加质量、刚度与阻尼，生成核主泵运行载荷数据库模块；

（7）在核主泵运行参数下，以运行载荷数据库模块为核主泵梁有限元总体模型的信息支撑，生成核主泵总体建模模块，构建核主泵三维数字样机；

（8）通过核主泵性能分析模块接收所述的核主泵三维数字样机，根据核主泵动力学响应和噪声分析、抗震特性分析、零部件受力分析的分析请求，调用梁有限元总体模型耦合计算数据作为输入，输出或基于物理过程运算后输出核主泵动力学性能仿真结果。

如图2所示，核主泵总体建模模块在核主泵梁有限元总体模型中考虑的零部件所关联的载荷作用，包括转子组件梁有限元模型所关联的叶轮水力载荷、飞轮离心力、电机转子及屏蔽套扭矩载荷与电磁拉力、非正常工况零部件间摩擦载荷、飞轮和屏蔽套间隙环流附加质量、刚度与阻尼作用，轴承支撑系统模型所关联的推力轴承液膜刚度与阻尼作用，泵壳组件梁有限元模型所关联的地震载荷、电机定子及屏蔽套电磁拉力作用，调用核主泵运行载荷数据库模块的运行载荷，构建屏蔽式核主泵三维数字样机。

核主泵性能分析模块根据核主泵零部件受力的分析请求，调用核主泵零部件变形和位移作为输入，输出核主泵零部件的内力及其之间的接触力。依据核主泵零部件受力分析的计算数据，调用零部件的内力及其之间的接触力，输出零部件疲劳寿命分析结果。