一种快堆全堆芯组件抗震分析方法、系统及介质

本发明涉及快堆堆芯结构抗震评估。尤其涉及一种快堆全堆芯组件抗震分析方法、系统及介质。

背景技术：

1、典型的快堆堆芯是由数百个堆芯组件组成的，堆芯组件呈六边形排列，独立地插入到堆芯支撑结构中。同时，相邻组件之间的间隙非常小，仅有几毫米，因此，地震中相邻组件不可避免地会发生相互碰撞。此外，由于所有堆芯组件都插入连接在支座中，并且组件周围被流体包围，因此，堆芯组件会作为一个整体振动，流固耦合问题显著，使内部碰撞更加复杂。当地震强度变高时，组件过大的变形和冲击力可能会影响控制棒的插入性和拔出，导致核心组件的强度失效，甚至造成核泄漏危险，影响反应堆的安全性和可靠性。因此，在快堆堆芯设计中，发展堆芯抗震分析和评估方法是必要的。

2、为了评价大规模快堆堆芯组件的振动特性，目前主要的评价方法包括：抗震试验和有限元抗震分析方法。尽管抗震试验更加可信，但是，由于试验成本较高，因此很少进行完整的全尺寸堆芯抗震试验。为了解决该问题，通常采用等效替代方案，比如，单根组件试验、单排组件试验、六边形列阵组件试验和缩比试验等。相较于传统抗震试验，有限元抗震分析方法更加经济高效，目前通用方法包括数值模拟(abaqus\anasys等)和自主开发方法，比如法国的cast3m和日本的revian-3d方法。尽管上述方法已经很大程度上推进了反应堆的抗震性能评估，但是仍然存在一些缺陷，主要体现在一下几个方面：

3、试验方案：尽管替代试验方案已经尽可能模拟真实的组件振动环境，但是，试验设置和真实环境之间仍然存在很多差异，比如整个堆芯的边界条件、流体的影响以及尺度效应等。

4、数值模拟方案：为了模拟全堆芯组件的抗震响应，传统有限元软件通常需要大量的计算时长和内存，对计算机硬件和软件环境要求较高。

5、抗震分析方法：各国自主开发的抗震分析方法主要采用直接时间积分法或者相应的改进版本，计算效率相对低下；目前针对上述抗震分析主要集中于变形和位移响应分析，缺乏深入研究。

6、如何充分考虑堆芯内组件振动时的实际工况，提高计算效率且降低计算环境，是亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种快堆全堆芯组件抗震分析方法、系统及介质。以解决对计算机硬件和软件环境要求较高且计算效率相对低下的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，用于快堆堆芯的堆芯组件在地震加速度时间历程中的抗震分析计算，其中，所述堆芯组件间设置有垫块，所述堆芯组件均通过管脚插入插座中固定，球型支座对所述堆芯组件进行单边限位，包括：

3、第一步：基于数值仿真得到用于模拟堆芯组件非线性碰撞的间隙-阻尼-弹簧的连接器，初始化各个所述堆芯组件的运动状态和各个所述连接器的接触状态，得到全堆非线性多组件系统，将所述全堆非线性多组件系统等效分解为一系列线性单组件振动系统；

4、第二步：计算选取的特征组件的固有频率和相应的模态振型，基于数值仿真，计算所述特征组件的附加质量系数以模拟流固耦合对组件振动的影响；

5、第三步：基于欧拉-伯努利理论，构建所述堆芯组件的等效梁模型，结合所述连接器和所述附加质量系数，建立互不相关的单根堆芯组件有限梁单元模型，其中，所述连接器在所述堆芯组件与所述堆芯组件垫块之间、所述堆芯组件与球状支座之间、所述管脚与所述插座之间分别设置；

6、第四步：将所述单根堆芯组件振动系统降维为单自由度系统的求解；

7、第五步：采用中心差分法计算所述单自由度系统的模态坐标下的振动响应，将所述振动响应转化为物理坐标下的动力学响应；

8、第六步：判断地震加速度时间历程是否停止，如果所述地震加速度时间历程停止，则执行挠度分析和接触分析。

9、优选的，所述判断地震加速度时间历程是否停止之后，还包括，如果所述地震加速度时间历程未停止，则依次重复执行步骤三至步骤五。

10、为实现上述目的，第二方面，用于快堆堆芯的堆芯组件在地震加速度时间历程中的抗震分析计算，其中，所述堆芯组件间设置有垫块，所述堆芯组件均通过管脚插入插座中固定，球型支座对所述堆芯组件进行单边限位，包括：

11、单组件振动系统生成模块，用于基于数值仿真得到用于模拟堆芯组件非线性碰撞的间隙-阻尼-弹簧的连接器，初始化各个所述堆芯组件的运动状态和各个所述连接器的接触状态，得到全堆非线性多组件系统，将所述全堆非线性多组件系统等效分解为一系列线性单组件振动系统；

12、附加质量系数计算模块，用于计算选取的特征组件的固有频率和相应的模态振型，基于数值仿真，计算所述特征组件的附加质量系数以模拟流固耦合对组件振动的影响；

13、等效梁模型构建模块，用于基于欧拉-伯努利理论，构建所述堆芯组件的等效梁模型，结合所述连接器和所述附加质量系数，建立互不相关的单根堆芯组件有限梁单元模型，其中，所述连接器在所述堆芯组件与所述堆芯组件垫块之间、所述堆芯组件与球状支座之间、管脚与插座之间分别设置；

14、降维模块，用于将所述单根堆芯组件振动系统降维为单自由度系统的求解；

15、物理响应模块，用于采用中心差分法计算所述单自由度系统的模态坐标下的振动响应，将所述振动响应转化为物理坐标下的动力学响应；

16、时间判断模块，用于判断地震加速度时间历程是否停止，如果所述地震加速度时间历程停止，则执行挠度分析和接触分析。

17、为实现上述目的，第三方面，本发明还涉及一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有指令，所述指令运行时执行上述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法。

18、本发明涉及的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法、系统及介质，相比于现有技术，有以下有益效果：

19、本发明充分考虑堆芯内组件振动时的实际工况：非线性碰撞、流固耦合问题和计算效率问题，提出一种简化的梁单元模型，采用间隙-阻尼-弹簧的连接器模拟组件-组件以及组件-围筒之间的非线性碰撞，将流固耦合的影响简化为组件的附加质量，并且改进了传统的模态叠加法，使其可以加速间隙非线性条件下的动态响应求解，工程适用性更强。

20、本发明将复杂的非线性系统分解为等价的线性系统进行计算，改进传统的模态叠加法，快速求解间隙条件下的结构动力学响应，摒弃了传统大规模非线性系统的直接时间积分法，极大地提升了方法的计算效率，因而在快堆堆芯组件抗震分析领域将具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，其特征在于，用于快堆堆芯的堆芯组件在地震加速度时间历程中的抗震分析计算，其中，所述堆芯组件间设置有垫块，所述堆芯组件均通过管脚插入插座中固定，球型支座对所述堆芯组件进行单边限位，包括：

2.根据权利要求1所述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，其特征在于，所述判断地震加速度时间历程是否停止，之后，还包括，如果所述地震加速度时间历程未停止，则依次重复执行步骤三至步骤五。

3.根据权利要求1所述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，其特征在于，所述初始化各个堆芯组件的运动状态和各个所述连接器的接触状态，得到全堆非线性多组件系统，具体包括：

4.根据权利要求1所述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，其特征在于，所述计算所述特征组件的附加质量系数以模拟流固耦合对组件振动的影响，具体为：结合有限元软件abaqus的全尺寸声固耦合模型，测定梁单元模型的附加质量系数，步骤为：

5.根据权利要求1所述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，其特征在于:

7.根据权利要求1所述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，其特征在于：所述执行挠度分析和接触分析，具体包括：得到不同组件间隙条件下组件顶端最大挠度分布图和拟合曲线，以及不同组件间隙条件下组件顶端最大碰撞力分布图和拟合曲线。

8.根据权利要求1所述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，其特征在于：所述采用中心差分法计算所述单自由度系统的模态坐标下的振动响应，将所述振动响应转化为物理坐标下的动力学响应，包括：

9.一种快堆全堆芯组件抗震分析系统，其特征在于，用于快堆堆芯的堆芯组件在地震加速度时间历程中的抗震分析计算，其中，所述堆芯组件间设置有垫块，所述堆芯组件均通过管脚插入插座中固定，球型支座对所述堆芯组件进行单边限位，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储介质中存储有指令，所述指令运行时执行如权利要求1-8中任一项所述的一种快堆全堆芯组件抗震分析方法。

技术总结
本发明涉及了一种快堆全堆芯组件抗震分析方法、系统及介质，一种快堆全堆芯组件抗震分析方法，包括：将全堆非线性多组件系统等效分解为一系列线性单组件振动系统；基于数值仿真，计算特征组件的附加质量系数以模拟流固耦合对组件振动的影响；基于欧拉‑伯努利理论、连接器和附加质量系数，建立互不相关的单根堆芯组件有限梁单元模型；将单根堆芯组件振动系统降维为单自由度系统的求解；采用中心差分法计算单自由度系统的模态坐标下的振动响应，并转化为物理坐标下的动力学响应；如果地震加速度时间历程停止，则执行挠度分析和接触分析。本发明快速求解间隙条件下的结构动力学响应，极大地提升了方法的计算效率。

技术研发人员：刘小明,刘宝收,彭青
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6