针对钠冷快堆单排组件耦合热变形的模拟方法技术

一种针对钠冷快堆单排组件耦合热变形的模拟方法，1、确定单排组件的组件个数、目标组件的物性参数以及几何参数，2、将单排组件按照由堆芯朝堆外的方向用数字编号进行标记，3、获取每一根组件在所有轴向位置的自由热变形位移，4、对每一根组件在上、下垫块处的热变形位移进行取值，5、推导出四种不同的接触力与垫块之间的位移模式，6、列出每一根组件在上、下垫块处的平衡方程，7、列出与所有组件相关的变形协调方程，8、将组件的位移参数进行合并处理，9、获得上、下垫块位置的总位移；10、求解每相邻两根组件之间上、下垫块的接触力，11、通过组件的位移叠加原则求得每一根组件的最终位移；本发明专利技术方法具备计算量小，收敛性好、计算结果准确的优点。

【技术实现步骤摘要】
针对钠冷快堆单排组件耦合热变形的模拟方法
本专利技术涉及钠冷快堆单排组件耦合热变形
，具体涉及一种针对钠冷快堆单排组件耦合热变形的模拟方法。
技术介绍
钠冷快堆中的组件在整个钠冷快堆的运行过程中占有非常重要的地位。在钠冷快堆的运行过程中，燃料组件的活性区中会发生裂变反应释放大量的热量，而燃料组件周围充当冷却剂的钠会通过流动的方式将燃料组件内裂变反应释放的热量带出堆芯外。在我国自主设计研发的钠冷快堆中，由于中子通量分布不均、燃料富集度差异以及堆芯冷井等多重因素的影响，快堆中组件释热功率分布是不均匀的，并且在堆芯内部不同组件区域的温度差异非常大。对于堆芯中的某一根组件而言，由于其与毗邻组件的间隙非常小，因此该组件的温度场分布会受到毗邻组件温度场分布的影响，导致在该组件的不同高度以及组件的不同周向方向上温度分布也会有较大的区别。在不均匀温度场的作用下，组件局部的热膨胀特性会出现较大的差异，从而使得组件发生热弯曲变形。组件发生热弯曲变形后就会通过垫块与周围的毗邻组件发生接触。如果弯曲变形量较大的话随之产生的接触力也会变大，这样会给钠冷快堆的安全运行带来不利影响，如增加组件插拔力、组件倒换困难、加速组件破损、堆芯象限功率倾斜等。在钠冷快堆中，中子源组件位于堆芯的中部，因此靠近堆芯的环形区域会有较大的中子通量，因而会释放更多的裂变能，从而该区域的组件会具有较高的温度。越靠近堆芯的外围，中子通量降低，裂变反应释放的裂变能降低，因而外围区域的组件温度也会相应降低。并且这种从堆芯中部到堆外的温度分布趋势沿着堆芯的周向方向上存在着一定的对称性。因此可以独立取出从堆芯中部到堆芯外围的一排组件进行研究，并且会发现这排组件的温度呈现出由堆芯向堆外逐渐降低的趋势。由于温度的不均匀分布，这排组件的会朝着温度降低的方向发生热弯曲变形，并且由于组件之间的距离非常近，组件与组件之间会发生接触，并产生很大的接触力。此外组件之间的相互接触也会阻碍组件原本的热弯曲变形，使得组件最终的变形状态更加难以预测。由于单排组件的受限热变形过程是一个热力强耦合的过程，因此采用传统的有限元分析软件来分析该过程计算量巨大，且极易发散，而单根组件自由热变形分析程序又无法模拟及预测单排组件热变形的动态耦合过程。基于上述原因，有必要研发钠冷快堆单排组件的耦合热变形模拟技术来预测组件在快堆堆芯中的热变形行为，从而为快堆组件的安全分析提供充分的理论依据。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供针对钠冷快堆单排组件的耦合热变形的模拟方法，通过求解组件的变形协调方程组来预测单排组件在热梯度作用下的耦合变形行为。为了实现上述目的，本专利技术采取了以下技术方案：一种针对的钠冷快堆单排组件耦合热变形的模拟方法，该方法包括以下步骤：步骤1：根据用户需求，输入单排组件的组件个数、目标组件的物性参数以及几何参数，物性参数指组件的杨氏模量和热膨胀系数，几何参数指组件的长度、套管厚度、外套管的对边距、组件的上下垫块到组件固支端的距离、相邻组件之间的轴心距以及相邻组件上下垫块之间的间隙；步骤2：将单排组件按照由堆芯朝堆外的方向用数字编号进行标记，并以最靠近堆芯的组件位置为零点，根据相邻组件的轴心距确定单排组件中每一根组件在弯曲的一维方向的初始位置坐标；步骤3：基于单排组件的三维温度场数据获取单排组件中的每一根组件在一维方向上的自由热变形挠度，针对每一根组件热变形位移的计算方法如下:(1)输入目标组件的三维温度场数据：三维温度场数据以矩阵的形式给出，其中列标为组件轴向不同位置温度采样点的标高，行标为在组件某一固定标高处进行温度采点的具体位置标记；获得三维温度场数据以后采用插值方法获得轴向均匀分布的温度场数据从而满足计算的输入条件；(2)对于目标组件的截面进行离散化处理，将其分为12个关于z轴对称的单元，并通过下式获得12个离散的截面单元的静矩即一阶矩；其中：A1到A12为每一个离散单元的横截面积；z为离散单元的积分域到z轴的距离；由于组件的截面为中心对称图形，因此在同一横截面上各离散单元之间存在如上所示的关系，因此只需求解相邻的三个离散单元的静矩值即可通过几何关系推得所有12个离散单元的静矩值；其中相邻的三个离散单元静矩的计算方法如下所示：其中：y为离散单元的积分域到y轴的距离；a1为套管外对边距，a2为套管内对边距；y1和y2分别为离散单元7的左、右积分边界；y3和y4分别为离散单元8的右侧子单元的左、右积分边界；y5为离散单元9的右积分边界；(3)获得所有离散单元的静矩以后通过下式求解离散单元截面的总热弯矩；其中：MT为离散单元所在截面的总热弯矩；xi为离散单元的轴向坐标；E为杨氏模量；z为离散单元的积分域到z轴的距离；εT为轴向位置为xi的横截面的热应变；ai为轴向位置为xi的横截面的热膨胀系数；i为轴向坐标的索引号；j为同一截面上离散单元的索引号；aij为每一个离散单元的热膨胀系数；Tf为参考温度；Ti为轴向位置为xi的横截面的热态温度；Tij为每一个离散单元的热态温度；A为套管的横截面积；为离散单元的静矩即一阶矩；然后遍历所有的轴向节点，求得所有轴向节点所在截面的总热弯矩；(4)通过下式获得每一个轴向节点的横向热变形位移即挠度；其中：MT为离散单元截面的总热弯矩；w为横向热变形位移即挠度；xi为离散单元的轴向坐标；EI为抗弯刚度；h为步长即轴向节点间距；步骤4：根据上、下垫块在组件轴向方向的高度位置，通过对每一根组件进行自由热变形挠度的计算来获取每一根组件在上、下垫块处横向方向上热变形位移的值；步骤5：根据组件受集中载荷作用下组件横向位移与接触力的关系推导出四种接触力与垫块之间的位移模式，具体方法如下：由于组件可以视为在集中载荷作用下的悬臂梁，因此组件横向位移与接触力的关系如式所示：其中a为施加集中外载荷的位置，l为组件试验件的总长度，EI为组件的抗弯刚度，F为集中载荷，y(x)为集中载荷作用下，组件在特定轴向位置的横向位移。将四种位移模式按照下表进行分类，并给出每种位移模式下的接触力与位移的关系：表1位移模式分类表其中hup为组件固支端到上垫块中部的距离，hdown为组件固支端到下垫块中部的距离；步骤6：根据每一根组件的初始位置、热变形位移以及接触力位移列出每一根组件在上、下垫块处关于垫块横向位移的平衡方程，具体方法如下：由于上、下垫块处的最终平衡位置是三部分的共同作用结果：初始位置、热变形位移以及接触力位移；因此针对N根单排受限组件可以列出2N个平衡方程，其中关于上垫块有N个，下垫块同样存在N个；上垫块的N个平衡方程如下所示：下垫块的N平衡方程如下所示：以上两方程中，N为组件编号，为第N个上垫块的最终平衡位置，yNu为第N个上垫块的初始位置，为组件热变形导致的第N个上垫块处的位移；同理，为第N个下垫块最终平衡位置，yNd为第N个下垫块的初始位置，为组件热变形导致的第N个下垫块处的位移；为第i根组件和第i+1根组件的上垫块与上垫块之间的接触力造成的第i根组件的上垫块的位移，为第i根组件和第i+1根组件的下垫块与下垫块之间的接触力造成的第i根组件的上垫块的位移，为第i-1根组件和第i根组件的上垫块与上垫块之间的接触力造成的第i根组件的上垫块的位移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对钠冷快堆单排组件耦合热变形的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据用户需求，输入单排组件的组件个数、目标组件的物性参数以及几何参数，物性参数指组件的杨氏模量和热膨胀系数，几何参数指组件的长度、套管厚度、外套管的对边距、组件的上下垫块到组件固支端的距离、相邻组件之间的轴心距以及相邻组件上下垫块之间的间隙；步骤2：将单排组件按照由堆芯朝堆外的方向用数字编号进行标记，并以最靠近堆芯的组件位置为零点，根据相邻组件的轴心距确定单排组件中每一根组件在弯曲的一维方向的初始位置坐标；步骤3：基于单排组件的三维温度场数据获取单排组件中的每一根组件在一维方向上的自由热变形挠度，针对每一根组件热变形位移的计算方法如下:(1)输入目标组件的三维温度场数据：三维温度场数据以矩阵的形式给出，其中列标为组件轴向不同位置温度采样点的标高，行标为在组件某一固定标高处进行温度采点的具体位置标记；获得三维温度场数据以后采用插值方法获得轴向均匀分布的温度场数据从而满足计算的输入条件；(2)对于目标组件的截面进行离散化处理，将其分为12个关于z轴对称的单元，并通过下式获得12个离散的截面单元的静矩即一阶矩；...

【技术特征摘要】
1.一种针对钠冷快堆单排组件耦合热变形的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据用户需求，输入单排组件的组件个数、目标组件的物性参数以及几何参数，物性参数指组件的杨氏模量和热膨胀系数，几何参数指组件的长度、套管厚度、外套管的对边距、组件的上下垫块到组件固支端的距离、相邻组件之间的轴心距以及相邻组件上下垫块之间的间隙；步骤2：将单排组件按照由堆芯朝堆外的方向用数字编号进行标记，并以最靠近堆芯的组件位置为零点，根据相邻组件的轴心距确定单排组件中每一根组件在弯曲的一维方向的初始位置坐标；步骤3：基于单排组件的三维温度场数据获取单排组件中的每一根组件在一维方向上的自由热变形挠度，针对每一根组件热变形位移的计算方法如下:(1)输入目标组件的三维温度场数据：三维温度场数据以矩阵的形式给出，其中列标为组件轴向不同位置温度采样点的标高，行标为在组件某一固定标高处进行温度采点的具体位置标记；获得三维温度场数据以后采用插值方法获得轴向均匀分布的温度场数据从而满足计算的输入条件；(2)对于目标组件的截面进行离散化处理，将其分为12个关于z轴对称的单元，并通过下式获得12个离散的截面单元的静矩即一阶矩；其中：A1到A12为每一个离散单元的横截面积；z为离散单元的积分域到z轴的距离；由于组件的截面为中心对称图形，因此在同一横截面上各离散单元之间存在如上所示的关系，因此只需求解相邻的三个离散单元的静矩值即可通过几何关系推得所有12个离散单元的静矩值；其中相邻的三个离散单元静矩的计算方法如下所示：其中：y为离散单元的积分域到y轴的距离；a1为套管外对边距，a2为套管内对边距；y1和y2分别为离散单元7的左、右积分边界；y3和y4分别为离散单元8的右侧子单元的左、右积分边界；y5为离散单元9的右积分边界；(3)获得所有离散单元的静矩以后通过下式求解离散单元截面的总热弯矩；其中：MT为离散单元所在截面的总热弯矩；xi为离散单元的轴向坐标；E为杨氏模量；z为离散单元的积分域到z轴的距离；εT为轴向位置为xi的横截面的热应变；αi为轴向位置为xi的横截面的热膨胀系数；i为轴向坐标的索引号；j为同一截面上离散单元的索引号；αij为每一个离散单元的热膨胀系数；Tf为参考温度；Ti为轴向位置为xi的横截面的热态温度；Tij为每一个离散单元的热态温度；A为套管的横截面积；为离散单元的静矩即一阶矩；然后遍历所有的轴向节点，求得所有轴向节点所在截面的总热弯矩；(4)通过下式获得每一个轴向节点的横向热变形位移即挠度；其中：MT为离散单元截面的总热弯矩；w为横向热变形位移即挠度；xi为离散单元的轴向坐标；EI为抗弯刚度；h为步长即轴向节点间距；步骤4：根据上、下垫块在组件轴向方向的高度位置，通过对每一根组件进行自由热变形挠度的计算来获取每一根组件在上、下垫块处横向方向上热变形位移的值；步骤5：根据组件受集中载荷作用下组件横向位移与接触力的关系推导出四种接触力与垫块之间的位移模式，具体方法如下：由于组件被视为在集中载荷作用下的悬臂梁，因此组件横向位移与接触力的关系如式所示：其中a为施加集中外载荷的位置，l为组件试验件的总长度，EI为组件的抗弯刚度，F为集中载荷，y(x)为集中载荷作用下，组件在特定轴向位置的横向位移；将四种位移模式按照下表进行分类，并给出每种位移模式下的接触力与位移的关系：表1位移模式分类表其中hup为组件固支端到上垫块中部的距离，hdown为组件固支端到下垫块中部的距离；步骤6：根据每一根组件的初始位置、热变形位移以及接触力位移列出每一根组件在上、下垫块处关于垫块横向位移的平衡方程，具体方法如下：由于上、下垫块处的最终平衡位置是三部分的共同作用结果：初始位置、热变形位移以及接触力位移；因此针对N根单排受限组件能够列出2...

【专利技术属性】
技术研发人员：巫英伟，马振辉，马泽华，苏光辉，田文喜，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61