CN104268312A - 用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种安全壳结构计算方法，尤其涉及一种用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法。本发明采用瞬态热分析的方法，对模型网格尺寸进行优化，准确的反映了结构的温度梯度变化过程，通过综合考虑各种因素，选取了典型时刻得到计算结果，在保证准确模拟温度梯度作用前提下，大大减少了计算单元的数量，减少了计算量。
Description
技术领域
本发明涉及一种安全壳结构计算方法，尤其涉及一种用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法。
背景技术
安全壳是核电厂核岛厂房中的重要构筑物，其内部布置有反应堆等重要系统。安全壳是核安全的第三道屏障，其功能是在发生核安全事故(如失水事故)时包容泄出的放射性物质，并使释放到周围大气的放射性剂量水平限制在容许范围之内的功能。
对于国内二代及二代加压水堆核电厂，根据现行设计规范，在进行安全壳结构设计中，考虑了建造、正常运行、异常运行、极端环境等荷载作用和荷载组合，并未考虑超设计基准的严重事故荷载作用及荷载组合。
随着对核电厂安全要求的日益提高，核电设计标准也随之提高，要求在设计中考虑超设计基准事故荷载作用及其荷载组合。如NS-G-1.10《核动力厂反应堆安全壳系统的设计》6.2节规定，“除了设计基准事故载荷组合之外还应考虑严重事故的载荷组合”。这里所说的严重事故主要包括两种荷载作用，即长期高温、内压，设计中应考虑这两种荷载作用的组合。
发明内容
本发明的目的是针对核电厂安全壳承受长期高温和内压的情况，提供一种可用于安全壳结构设计的分析和计算方法。
本发明的技术方案如下：一种用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，包括如下步骤：
(1)将温度时程曲线和环境温度作为输入，计算安全壳标准截面各个时刻的温度梯度；
(2)根据温度和压力的输入时程曲线以及安全壳标准截面各个时刻的温度梯度，选取若干合适的计算时刻，所述的计算时刻为输出计算结果的时刻；
(3)对步骤(1)中安全壳标准截面计算模型的截面网格进行优化，整个截面采用由内侧到外侧网格尺寸逐渐变大的网格划分方式；
(4)针对优化后的安全壳截面网格划分方式，进行整体模型温度梯度计算，得到步骤(2)中确定的各个计算时刻整体模型的温度分布，并得到计算时刻的截面平均温度；
(5)将步骤(4)中的整个安全壳的温度梯度分析有限元模型转化为应力分析有限元模型，在应力分析有限元模型中，将步骤(4)中得到的各个计算时刻的整个安全壳的温度梯度作为荷载读入，计算得到各个计算时刻的温度应力；
(6)采用步骤(5)用到的应力分析有限元模型，施加内压荷载，得到整个安全壳的应力计算结果。
进一步，如上所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，步骤(1)中采用通用有限元软件的热分析单元建立安全壳标准截面的三维有限元模型，三维有限元模型采用长方体，沿安全壳厚度方向，模型的网格采用均匀划分；温度时程曲线作为安全壳内表面的计算输入，环境温度作为安全壳外表面的计算输入，通过通用有限元软件进行瞬态热分析计算，计算中分多个荷载步在安全壳的内外表面施加不同时刻的温度荷载，计算结果为整个时间历程标准截面的温度分布。
进一步，如上所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，步骤(2)中选取的计算时刻为温度或压力时程曲线上显著变化时刻，以及由截面温度推导得到的最大弯矩时刻。
进一步，如上所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，步骤(3)中，初步确定几种渐变的网格尺寸方案，分别得到计算时刻的标准截面温度分布，并与步骤(1)中的计算结果进行比较，在保证精度的前提下，选出一种能够模拟出各个计算时刻的截面温度分布的网格数量最少的网格尺寸方案。
进一步，如上所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，步骤(5)中根据步骤(4)中得到截面平均温度，对混凝土弹性模量进行折减。
进一步，如上所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，步骤(6)中采用折减后的混凝土弹性模量进行计算，安全壳的内压选择最大值作为荷载输入，其他时刻的压力荷载作用的结构应力由最大内压对应时刻的结构应力乘以小于1的系数得到。
本发明提供的长期高温和内压共同作用的安全壳结构的计算方法具有如下优点：第一，采用了瞬态热分析的方法，准确的反映了结构的温度梯度变化过程；第二，综合考虑各种因素，选取了典型时刻得到计算结果；第三，计算中考虑了高温对混凝土材料特性的影响，依据相关设计规范对弹性模量进行了折减；第四，在保证准确模拟温度梯度作用前提下，对模型网格尺寸进行优化，大大减少了计算单元的数量，减少了计算量。
附图说明
图1为标准截面计算采用的网格，其中内侧有高温作用。
图2为截面温度分布示意图；左侧为安全壳外侧，右侧为安全壳内侧(受高温作用)；横轴为到安全壳外侧的距离，纵轴为温度；图中每条曲线均代表某时刻的截面温度分布。
图3为优化后的标准截面的网格，其中内侧有高温作用。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的介绍。
1.标准截面温度梯度计算
通常情况下，严重事故工况持续时间较长(如10天)。相应的安全壳内的温度和压力荷载作用会在整个时间历程中持续作用。另外，温度和压力的数值不是恒定的，而是随时间不断变化。
整个时间历程中的标准截面温度梯度，可以采用通用有限元软件(如ANSYS)进行瞬态热分析计算得到。
采用热分析单元(如SOLID90)建立安全壳截面的三维有限元模型。
三维有限元模型可采用长方体，有限元模型在X方向的范围为0至L，Y方向的范围为0至W，Z方向的范围为0至H。选择模型的X＝0和X＝L两个面分别作为安全壳的内外表面，即截面厚度为L。
沿安全壳厚度方向，模型网格采用均匀的划分，并采用较小的网格尺寸，如图1所示。
混凝土的导热系数和比热容可根据《GB50010-2010混凝土结构设计规范》4.1.8节取值，安全壳内外表面的换热系数可以根据相关的热工设计规范取值。
安全壳内表面的计算输入是由工艺专业确定的温度时程曲线，外表面的设计输入是环境温度。根据输入温度的变化情况，计算中分多个荷载步在安全壳的内外表面施加不同时刻的温度荷载。
计算结果为整个时间历程标准截面的温度分布。
2.计算时刻的选取
本发明中所述的“计算时刻”是指输出计算结果的时刻。由于有限元瞬态热分析会得到整个时间历程的截面温度分布(如图2所示)，需要选择某些典型时刻输出计算结果。
计算时刻的选取需要考虑多种因素，主要根据温度和压力的输入时程曲线变化情况以及标准截面各个时刻的温度梯度进行选择。如温度或压力时程曲线上显著变化时刻，以及由截面温度推到得到的最大弯矩时刻。
步骤1中采用的网格尺寸应能反映计算时刻的标准截面温度分布，即截面温度分布曲线(如图2所示)较平滑。
3.截面网格优化
步骤1中，沿安全壳厚度方向，模型网格采用均匀的划分，并采用较小的网格尺寸，网格数量较多。这种网格密度对于标准截面的计算模型是可以接受的，但是，如果对于安全壳的整体计算模型，采用这种网格尺寸计算量偏大，计算速度较慢。
在最初时刻，由于安全壳内表面受到高温作用，升温很快，靠近内表面的区域混凝土的温度梯度很大，需要比较小的网格尺寸来模拟。靠近外表面的混凝土区域在相当长的一段时间内不会受到安全壳内部高温的影响，温度梯度很小，可采用较大的网格尺寸来模拟。所以，整个截面可采用由内侧到外侧网格尺寸逐渐变大的网格划分方式。
可以初步确定几种渐变的网格尺寸方案，分别得到计算时刻的标准截面温度分布，并与步骤1中的计算结果(如图2所示)进行比较，在保证精度的前提下，选出一种合理的网格尺寸(如图3所示)。与步骤1中的模型(如图1所示)相比，优化后的模型网格数量大大减少。合理的网格尺寸是一种能够模拟出各个计算时刻的截面温度分布的数量最少的网格尺寸方案。网格数量越少，计算工作量越少，计算速度越快。
4.整体模型温度梯度计算
在此部分工作中，除需要建立整个安全壳的有限元模型外，采用的计算软件、单元类型、热力学参数设置、温度输入参数均与步骤1中相同。安全壳截面沿厚方向的网格按照步骤3中得到的优化后网格进行划分。
采用优化后的网格进行标准截面有限元瞬态热分析，得到步骤2中确定的计算时刻的结果，并得到计算时刻的截面平均温度。
高温作用施加在安全壳的内表面，安全壳外表面输入环境温度。进行有限元模型的瞬态热分析，得到安全壳整个时间过程的温度梯度。保存步骤2中确定的计算时刻的结果，用于后一步的整体模型温度应力计算。
5.整体模型温度应力计算
将步骤4中的整个安全壳的温度梯度分析有限元模型，转化为应力分析有限元模型，可以通过在软件中修改单元类型来实现，如在ANSYS中将SOLID90单元修改为SOLID95单元。
根据混凝土的研究成果(如《预应力混凝土高温性能及抗火设计》郑文忠侯晓萌闫凯编著，第2.3.2节)，高温作用下混凝土的弹性模量会降低。根据步骤4中得到截面平均温度，对混凝土弹性模量进行折减，可以按照《GB50051-2002烟囱设计规范》中表3.2.6进行。
在应力分析有限元模型中，将步骤4中得到的计算时刻的整个安全壳的温度梯度作为荷载读入，计算得到各个计算时刻的温度应力。
6.内压工况应力计算
一般情况下，安全壳的严重事故工况发生时，高温和高压作用会同时作用于安全壳结构。所以，应进行内压工况的计算，并采用折减后的混凝土弹性模量进行计算。内压工况计算的基本计算方法是，建立有限元模型，然后在模型指定区域上施加面荷载，可以得到模型中各个区域的变形和应力。这种计算是构筑物或构件力学分析的基本过程，属于本领域的公知技术。
采用步骤5用的应力分析有限元模型，施加内压荷载，得到整个安全壳的应力计算结果。
严重事故工况发生后，安全壳的内压是随时间变化的，可以选择其中的最大值作为荷载输入。其他时刻的压力荷载作用的结构应力可以由最大内压对应时刻的结构应力乘以小于1的系数得到。系数的具体值根据输入的压力曲线确定。例如，曲线中的最大值为0.5MPa，而t1时刻对应的内压值为0.3MPa，则该时刻的系数为0.3/0.5＝0.6。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，包括如下步骤：
(1)将温度时程曲线和环境温度作为输入，计算安全壳标准截面各个时刻的温度梯度；
(2)根据温度和压力的输入时程曲线以及安全壳标准截面各个时刻的温度梯度，选取若干合适的计算时刻，所述的计算时刻为输出计算结果的时刻；
(3)对步骤(1)中安全壳标准截面计算模型的截面网格进行优化，整个截面采用由内侧到外侧网格尺寸逐渐变大的网格划分方式；
(4)针对优化后的安全壳截面网格划分方式，进行整体模型温度梯度计算，得到步骤(2)中确定的各个计算时刻整体模型的温度分布，并得到计算时刻的截面平均温度；
(5)将步骤(4)中的整个安全壳的温度梯度分析有限元模型转化为应力分析有限元模型，在应力分析有限元模型中，将步骤(4)中得到的各个计算时刻的整个安全壳的温度梯度作为荷载读入，计算得到各个计算时刻的温度应力；
(6)采用步骤(5)用到的应力分析有限元模型，施加内压荷载，得到整个安全壳的应力计算结果。
2.如权利要求1所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，其特征在于：步骤(1)中采用通用有限元软件的热分析单元建立安全壳标准截面的三维有限元模型，三维有限元模型采用长方体，沿安全壳厚度方向，模型的网格采用均匀划分；温度时程曲线作为安全壳内表面的计算输入，环境温度作为安全壳外表面的计算输入，通过通用有限元软件进行瞬态热分析计算，计算中分多个荷载步在安全壳的内外表面施加不同时刻的温度荷载，计算结果为整个时间历程标准截面的温度分布。
3.如权利要求1所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，其特征在于：步骤(2)中选取的计算时刻为温度或压力时程曲线上显著变化时刻，以及由截面温度推导得到的最大弯矩时刻。
4.如权利要求1所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，其特征在于：步骤(3)中，初步确定几种渐变的网格尺寸方案，分别得到计算时刻的标准截面温度分布，并与步骤(1)中的计算结果进行比较，在保证精度的前提下，选出一种能够模拟出各个计算时刻的截面温度分布的网格数量最少的网格尺寸方案。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，其特征在于：步骤(5)中根据步骤(4)中得到截面平均温度，对混凝土弹性模量进行折减。
6.如权利要求5所述的用于抵抗长期高温和内压共同作用的安全壳结构计算方法，其特征在于：步骤(6)中采用折减后的混凝土弹性模量进行计算，安全壳的内压选择最大值作为荷载输入，其他时刻的压力荷载作用的结构应力由最大内压对应时刻的结构应力乘以小于1的系数得到。
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