CN106951622B - 一种乏核燃料贮存格架地震安全的有限元分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种乏核燃料贮存格架地震安全的有限元分析方法，所述方法包括：根据水池底板与格架支脚间摩擦系数的最大值与最小值，确定有限元分析对象；对所述限元分析对象分别建立和计算有限元模型，其中，所述建立和计算有限元模型的步骤包括：确定有限元分析方法；简化有限元分析对象结构；选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分；选择有限元模型物性参数；确立有限元模型边界条件；计算有限元模型，得到有限元模型计算结果。根据本发明的有限元分析方法，可以在假定相同结构的格架和规定的相同地震载荷条件下，分析格架所受载荷与应力、应变，从而根据分析结果校核格架强度、变形与位移是否满足地震时的安全要求。
Description
技术领域
本发明涉及核电厂设计领域，更具体地说，涉及一种乏核燃料贮存格架地震安全的有限元分析方法。
背景技术
乏核燃料贮存格架是核燃料循环中的核心设备，广泛应用于乏燃料在堆贮存、中间离堆贮存以及后处理厂贮存。随着我国核电行业的快速发展，乏核燃料贮存格架市场需求巨大。
现有格架设计中，采用格架在设计工况、异常工况和设计工况中的格架结构强度分析作为设计基础，未涉及地震安全分析中的格架与格架之间的碰撞分析、格架与贮存水池池壁之间的碰撞分析、格架的结构刚度分析等。
为此，有必要建立恰当的计算模型，并选取合理的保守假设，计算乏核燃料贮存格架在地震条件下安全临界条件，以供乏核燃料贮存格架的设计与应用。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明提供了一种乏核燃料贮存格架地震安全的有限元分析方法，所述包括：
根据水池底板与格架支脚间摩擦系数的最大值与最小值，确定有限元分析对象；
对所述有限元分析对象分别建立和计算有限元模型，其中，所述建立和计算有限元模型的步骤包括：
确定有限元分析方法；
简化有限元分析对象结构；
选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分；
选择有限元模型物性参数；
确立有限元模型边界条件；
计算有限元模型，得到有限元模型计算结果。
示例性的，对所述有限元单元进行网格划分之前还包括对有限元模型进行网格敏感性验证，通过网格敏感性验证以确定网格划分。
示例性的，还包括对所述有限元模型计算结果进行时间步长的敏感性验证的步骤。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数最小值为0.2，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数最大值为0.8。
示例性的，所述有限元分析对象包括：
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析；
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析；
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析；
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析采用流体时程动力分析方法。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析的有限元对象结构简化包括全池设备布置简化、高度边界简化和贮存格架简化。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析的有限元单元采用六面体流体单元。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析选用CFX自带的water模型常参数作为物性参数。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析有限元边界条件包括格架流体域边界、格架结构边界。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析采用结构时程动力分析方法。
示例性的，参考乏核燃料贮存格架的结构，及各部件对格架作用影响的大小对所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析进行结构简化。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的有限元单元包括SHELL181单元、BEAM188单元。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的物性参数采用格架结构材料物性参数，其中，所述格架结构材料物性参数包括：室温强度极限、室温屈服极限、室温弹性模量、泊桑比、设计温度屈服极限、膨胀系数、密度和导热系数。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析边界条件包括格架底部约束条件、水池底板与格架支脚之间接触约束条件。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析采用双向流-固耦合时程动力分析方法。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析的结构简化包括：流体域的形状与尺寸的简化、组件运动简化和碰撞简化。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析的有限元单元包括：流体分析模型单元和格架结构模型单元；
其中，所述流体分析模型单元采用六面体单元，所述格架结构模型单元采用有限应变壳单元SHELL181。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析物性参数包括：流体物性参数和格架结构材料物性参数；
其中，所述流体物性参数选用CFX自带的water模型常参数，所述格架结构材料物性参数包括：室温强度极限、室温屈服极限、室温弹性模量、泊桑比、设计温度屈服极限、膨胀系数、密度和导热系数。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析设定边界条件包括：流体域约束条件、贮存单元约束条件和贮存单元运动约束条件。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析采用结构时程动力分析方法。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的结构简化包括：单个乏核燃料贮存格架分析模型的简化、格架与水池边缘间距简化和乏核燃料组件贮存单元系统简化。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析选定建模用有限单元种类包括：FLUID80单元、SHELL181单元和BEAM188单元。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的物性参数包括流体物性参数和结构材料物性参数；其中，
所述流体物性参数包括：水的体积模量、密度和粘度中的任意一种或多种，
所述所述格架结构材料物性参数包括：室温强度极限、室温屈服极限、室温弹性模量、泊桑比、设计温度屈服极限、膨胀系数、密度和导热系数。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析边界条件包括格架四周约束条件和水池底板与格架支脚之间接触约束条件。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为根据本发明的一个实施例提出的一种乏核燃料贮存格架地震安全的有限元分析方法示意性流程图；
图2为根据本发明的一个实施例提出的有限元模型的建立、计算以及敏感性验证的示意性流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述一种乏核燃料格架地震安全分析方法。显然，本发明的施行并不限于核电厂设计领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
本发明提供了一种核电站水下乏核燃料贮存格架地震安全分析方法，所述方法包括：
根据水池底板与格架支脚间摩擦系数的最大值与最小值，确定有限元分析对象；
对所述有限元分析对象分别建立和计算有限元模型，其中，所述建立和计算有限元模型的步骤包括：
确定有限元分析方法；
简化有限元分析对象结构；
选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分；
选择有限元模型物性参数；
确立有限元模型边界条件；
计算有限元模型，得到有限元模型计算结果。
根据本发明的有限元分析方法，可以假定在相同结构的格架和规定的相同地震载荷条件下，分析格架所受载荷以及应力、应变，从而根据分析结果校核格架强度、变形与位移是否满足地震时的安全要求。
下面参看图1和图2对本发明提出的一种乏核燃料贮存格架地震安全的有限元分析方法进行具体描述，其中，图1为根据本发明的一个实施例提出的一种乏核燃料贮存格架地震安全的有限元分析方法示意性流程图；图2为根据本发明的一个实施例提出的有限元模型的建立、计算以及敏感性验证的示意性流程图。
首先，执行步骤S101：根据水池底板与格架支脚间摩擦系数的最大值与最小值，确定有限元分析对象。
对乏核燃料贮存格架建立的有限元分析模型必须满足对设备地震安全分析的要求。
示例性的，所述地震安全分析要求：地震异常工况和事故工况下格架整体结构强度安全分析，格架与水池碰撞安全分析以及格架之间的碰撞安全分析。
基于所述地震安全分析要求，根据自由放置式格架支脚与水池地板接触处的滑动摩擦系数进行有限元分析。示例性的，根据水池底板与格架支脚间摩擦系数的最大值与最小值，确定有限元分析对象。为了保证在规定的地震过程中格架系统的安全，采用保守的分析方法进行格架安全的有限元分析，在相同结构的格架和规定的相同地震载荷条件下，根据水池底板与格架支脚间摩擦系数的最大值与最小值，建立有限元分析对象。如果在水池底板与格架支脚间摩擦系数的最大值与最小值两种极端条件下所建立的有限元分析对象的有限元分析结果都表明所设计的格架在给定的地震条件下是安全的，即满足地震安全分析要求，则表明设计的、摩擦系数取值在最大值和最小值之间的格架，在给定的地震条件下都是安全的。
进一步，示例性的，对水深约为12.7m的水池底板上的格架来说，底板与各个格架支脚接触处的滑动摩擦系数在最小值0.2至最大值0.8之间随机分布的数值，因而确立有限元路线：在底板与各个格架支脚接触处的滑动摩擦系数在最小值0.2时建立格架有限元分析，以及在在底板与各个格架支脚接触处的滑动摩擦系数在最大值0.8时建立格架有限元分析。
示例性的，水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时，进行全池流体运动有限元分析和单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析。在水池底板和各格架支脚间的摩擦系数均为最低值0.2的条件下，在地震过程中，发生格架相对水池底板滑移的可能性最大，而格架出现倾覆趋势的可能性最小。为了避免各滑移格架间的相互撞击和滑移格架与水池四壁之间的撞击，需要采用流体分析软件进行全池流体运动和格架运动的时程分析。全池分析得到的各格架在地震过程的位移数据可校核是否会发生格架之间或格架与水池四壁之间的碰撞；全池分析所得出的流体分析结果，还可用于进行单个格架的结构时程分析，以详细校核格架的强度。
示例性的，水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时，进行单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析和单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析。在水池底板和各格架支脚间的摩擦系数均为最高值0.8的条件下，在地震过程中，各格架相对水池底板的滑移都很小，但格架可能出现较强的摆动与倾覆趋势。格架本身的结构刚度很大，并不容易被引发摆动。但是，一旦格架中的某些储存单元的每个都装入了一个并未和贮存单元相固定的乏核燃料组件之后，由于燃料组件与贮存单元各内侧壁面之间都存在间隙，尽管储存单元内的这些间隙都被池水充满，但在地震的三维复杂振动的带动下，这些浸泡在贮存单元内池水中并未和贮存单元相固定的乏核燃料组件就会在贮存单元内的池水中作复杂的摆动，并与贮存单元的各侧壁发生碰撞。这时，整个格架在地震过程中的摆动主要就是由该格架中各个贮存单元内乏核燃料组件摆动和与贮存单元侧壁发生碰撞的力共同引起。为此，水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时，进行单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析，以得到贮存单元内部乏核燃料组件与内部水池的运动状态以及动态的燃料组件和池水作用在贮存单元各个壁面上的动态压力。水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时，进行单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析，以校核格架强度、变形与位移是否满足地震时的安全要求。
接着，执行步骤S102：对所述限元分析对象分别建立和计算有限元模型。
示例性的，所述建立和计算有限元模型的步骤包括：
S201：确定有限元分析方法；
S202：简化有限元分析对象结构；
S203：选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分
S204：选择有限元模型物性参数；
S205：确立有限元模型边界条件；
S206：计算格架有限元模型，得到有限元模型计算结果。
下面将继续以在水深约为12.7m的水池底板上的格架确立的有限元分析对象，即水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时，进行全池流体运动有限元分析和单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析，以及水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时，进行单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析和单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析，为示例进行介绍。
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时全池流体运动有限元分析。
首先，执行步骤S201：确定有限元分析方法。
所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时全池流体运动有限元分析采用流体时程动力分析方法。
接着，执行步骤S202：简化有限元分析对象结构。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时全池流体运动有限元分析的结构简化包括全池设备布置简化、高度边界简化和贮存格架简化中的任意一种或多种。
示例性的，以C2贮存水池采用6×4布局，可放置24个格架，可贮存936组乏燃料的乏核燃料结构布局为示例进行说明。
示例性的，所述全池设备布置简化包括对所述乏核燃料贮存水池的几何尺寸与格架距离水池壁的距离进行简化。示例性的，设定矩形的乏核燃料贮存水池的几何尺寸为：X方向长13200mm，Y方向长8500mm，Z方向长12700mm。将相邻格架之间的间距设为120mm，以保证池水对格架有一定限制作用。设定边缘处格架距水池壁的距离在X方向为564mm，在Y方向为366mm，同时将24个乏核燃料贮存格架置于水池中心。
示例性的，高度边界简化包括将格架流体域缩减为与格架围板接触的流体的高度，以及建立格架侧面的流体域。将格架流体域缩减为与格架围板接触的流体的高度基于实际流体域高度接近12.7m，与格架直接接触的部分很少。建立格架侧面的流体域的原因基于格架的上下表面水可以流通，所受的流体载荷很小，流体域不需覆盖到上下表面。
示例性的，所述贮存格架简化忽略格架支脚，不考虑格架转动和格架的翘起以及计算时视格架为刚体。由于格架支脚对流体影响很小，忽略格架支脚。在格架地震中以平移运动为主，由于地震加速度的方向瞬时性，格架的翘起只是一瞬间，故对整体位移影响不大，在全池分析中不考虑格架转动和格架的翘起。由于格架刚度本身较大，同时刚体在流体作用下不会因为变形而吸收能量，其计算结果会比变形体保守，故在计算时视格架为刚体。
接着，执行步骤S203：选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析的有限元单元种类采用六面体流体单元。
示例性的，所述网格划分之前对有限元模型进行网格敏感性验证，通过网格敏感性验证以确定网格划分，以得到更为精确的有限元分析结果。
所述敏感性验证包括：首先根据选取的网格尺寸，计算得到关心部位的结果值，将网格尺寸缩小为原来的一半左右再进行计算，读取得到相同部位的结果值，比较前后两次计算结果，相对误差不超过工程要求误差(示例性的，如5％)即符合要求。若不满足要求，继续改变网格尺寸，依次重复，直到前后两次结果的相对误差小于工程要求误差，这时结果受单元尺寸的影响不大，选取二者中网格尺寸较大的为计算所需的网格尺寸，这样就保证了结果的准确性和计算的经济性。
在本模型的网格划分敏感性分析当中，给全池有限元模型施加时程中8s至9s的地震加速度。通过读取同一位置格架的刚体受力的最大值进行网格划分敏感性分析。
接着，执行步骤S204：选择有限元模型物性参数。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析的有限元分析模型选用CFX自带的water模型常参数，所述water模型适用于以水为流体的动力学分析。
接着，执行步骤S205：确立有限元模型边界条件。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析有限元边界条件包括格架流体域边界、格架结构边界。
示例性的，所述流体域边界采用流体域上部与下部设定进出口边界(opening)，以模拟水流的流通。
示例性的，所述格架结构边界采用设定为壁面的格架围板边界。
接着，执行步骤S206：计算格架有限元模型。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析中格架运动采用6自由度刚体求解器进行耦合，通过对格架施加各个方向的惯性加速度得到格架在各个方向上的受力。其中格架的惯性加速度通过在满载时和空载时分别计算得到格架的惯性加速度地震加速度的关系而得到；其中，地震加速度通过地震加速度响应时程曲线得到。
示例性的，对有限元模型计算结果进行时间步长的敏感性验证，从而验证所建立的有限元分析模型的合理性，以进一步得到精确的有限元分析结果，进而得到准确的地震安全分析结果。
首先根据经验初步选取一个步长，计算得到关心部位的结果值，将步长缩小为原来的一半左右再进行计算，读取得到相同部位的结果值，比较前后两次计算结果，相对误差不超过工程误差要求(如，5％)即符合要求。若不满足要求，继续改变网格尺寸，依次重复，直到前后两次结果的相对误差小于工程误差要求，这时结果受步长的影响不大，选取二者中步长较大的为计算所需的时间步长，这样就保证了结果的准确性和计算的经济性。在本模型的步长敏感性分析当中，给全池有限元模型施加时程中8s至9s的地震加速度。通过读取同一位置格架的刚体受力的最大值进行网格划分敏感性分析。
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析。
S201：确定有限元分析方法。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析采用结构时程动力分析方法。
S202：简化有限元分析对象结构。
示例性的，参考乏核燃料贮存格架的结构，及各部件对格架作用影响的大小进行所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析模型的简化。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析模型的简化包括：采用点耦合来近似模拟螺杆和格架下底板的连接，用摩擦接触来模拟池底与格架底垫板间的接触，忽略对吊耳的建模，底垫板与螺杆一同用梁单元建模，忽略包覆板和中子吸收体，将格架内部剩余空间的水的质量以等效密度的形式均匀等效到格架所有结构之上，同时将每个乏核燃料组件的质量以等效密度的形式均匀赋予贮存该组件的六方型直管之上。
所述模型简化基于螺杆较粗，同时池底采用薄板，吊耳在整体有限元模型的地震安全分析过程中不是安全分析的重点，而且不会对分析结果产生太大影响，此处予以忽略。由于底垫板不是分析重点，故将底垫板视为梁单元不会对结果产生太大影响。包覆板的厚度仅为0.8mm，它的作用是固定与保护镉套管，其对结构强度的加强作用可以保守地予以忽略；中子吸收体用来隔离中子，它没有与整体结构焊接在一起，其对结构强度的加强作用也可以保守地予以忽略。建模中将两部分的质量等效到六方型直管的相应位置，即将包覆板和中子吸收体的质量以等效密度的形式赋予六方型直管上。由于格架在水中水平晃动时，由于围板的阻挡其内部的水也随其一同移动，故在建模时将格架内部剩余空间的水的质量以等效密度的形式均匀等效到格架所有结构之上，同时将每个乏核燃料组件的质量以等效密度的形式均匀赋予贮存该组件的六方型直管之上。
S203：选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的有限元单元包括SHELL181单元、BEAM188单元。
示例性的，采用SHELL181单元来模拟底板、顶板、隔板、六方型直管以及围板、水池壁等结构的有限应变壳单元。
示例性的，采用BEAM188单元模拟从细长到中等长度的梁结构的有限应变梁单元。
示例性的，所述网格划分之前对有限元模型进行网格敏感性验证，通过网格敏感性验证以确定网格划分，以得到更为精确的有限元分析结果。所述网格划分名感性验证方法与所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析的有限元分析中网格划分名感性验证的方法一样，在此不再赘述。
示例性的，在本模型的网格划分敏感性分析当中，给单个格架有限元模型施加时程中1s时的重力加速度。通过读取同一位置格架的薄膜加弯曲应力强度值进行网格划分敏感性分析。
S204：选择有限元模型物性参数。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的物性参数采用格架结构材料物性参数，所述格架结构材料物性参数包括：室温强度极限、室温屈服极限、室温弹性模量、泊桑比、设计温度屈服极限、膨胀系数、密度和导热系数。
所述格架结构采用的各种结构材料的物性参数数据如下表所示：
S205：确立有限元模型边界条件。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析边界条件包括格架底部约束条件与水池底板与格架支脚之间接触约束条件。
示例性的，格架底部约束条件采用水池底板下部全约束边界条件。
示例性的，所述水池底板与格架支脚之间接触约束条件采用摩擦接触，摩擦系数为0.2。
S206：计算有限元模型，得到有限元模型计算结果。
示例性的，通过对有限元模型施加惯性加速度计算出所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2的单个乏核燃料贮存格架的各个结构在地震中所受载荷与应力。其中格架的惯性加速度通过在满载时和空载时结合格架受力分别计算得到格架的惯性加速度地震加速度的关系而得到；其中，地震加速度通过地震加速度响应时程曲线得到，所述围板受力由所述全池流体运动时程分析中格架围板壁面得出。
示例性的，对有限元模型计算结果进行时间步长的敏感性验证，从而验证所建立的有限元分析模型的合理性，以进一步得到精确的有限元分析结果，进而得到准确的地震安全分析结果。
示例性的，在本模型的步长敏感性分析当中，给单个格架有限元模型施加时程中8s至9s的地震加速度。通过读取格架板壳结构最大薄膜加弯曲应力强度在时程中的最大值进行步长敏感性分析。
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析。
首先，执行步骤S201：确定有限元分析方法。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析采用双向流-固耦合时程动力分析方法。
接着，执行步骤S202：简化有限元分析对象结构.
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析的结构简化包括：流体域的形状与尺寸的简化、组件运动简化和碰撞简化中的一种或多种。
示例性的，所述流体域的形状与尺寸简化包括：将乏核燃料组件贮存单元系统的主体设定六边形直管，所述六边形直管的横截面为外接圆半径为141.4mm与135.1mm的两个正六边形围成六边形，所述六边形直管的中轴沿Z方向，长度为4334mm。所述六边形直管的下端面焊接固定在格架底板上，以管子中心为中心在格架底板上开有圆孔，直管上端六边形孔不封闭。储存外来的乏核燃料时，是将乏核燃料组件插入放置在贮存水池池底上的格架的从六边形管内为乏燃料组件。
示例性的，所述组件运动简化将乏燃料组件认作刚体，忽略底部的摩擦，以及认定运动形式为平移。所述简化基于由于在压力不大时钢材与钢材间的摩擦系数较小(0.12至0.15)。
示例性的，所述碰撞简化采用间隙弹簧单元模拟乏燃料组件与乏燃料贮存单元隔板的碰撞，以及将碰撞间隙设为3mm。所述间隙弹簧单元的弹簧刚度为2e7N/m。
接着，执行步骤S203：选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析的建模用有限元单元包括：流体分析模型单元和格架结构模型所用单元中的一种或多种。
所述流体分析模型单元采用六面体单元。
所述格架结构模型单元采用有限应变壳单元SHELL181。
所述网格划分之前对有限元模型进行网格敏感性验证，通过网格敏感性验证以确定网格划分。所述网格划分名感性验证方法与所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析的有限元分析中网格划分名感性验证的方法一样，在此不再赘述。
在本模型的网格划分敏感性分析当中，给单个单元系统有限元模型施加时程中10s至10.2s的地震加速度。通过读取单元流固耦合面受力的最大值进行网格划分敏感性验证。
接着，执行步骤S204：选择有限元模型物性参数。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析物性参数包括：流体物性参数和格架结构材料物性参数。
所述流体物性参数选用CFX自带的water模型常参数，适用于以水为流体的动力学分析。
所述结构材料的物性参数采用表1所述乏核燃料贮存格架结构材料的物性数据表所列物性数据。
接着，执行步骤S205：确立有限元模型边界条件。
所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析设定边界条件包括：流体域约束条件、贮存单元约束条件和贮存单元运动约束条件。
所述流体域约束条件采用六边形环柱流体域，其上端为自由进出口边界，下端与侧面为壁面边界。
所述贮存单元约束条件采用外部六方型直管全约束。
所述贮存单元运动约束条件采用核燃料组件在竖直方向的运动被约束。
接着，执行步骤S206：计算格架有限元模型。
通过对格架施加各个方向的惯性加速度得到格架在各个方向上的受力。其中格架的惯性加速度通过在满载时和空载时分别计算得到格架的惯性加速度地震加速度的关系而得到；其中，地震加速度通过地震加速度响应时程曲线得到。
示例性的，对有限元模型计算结果进行时间步长的敏感性验证，从而验证所建立的有限元分析模型的合理性，以进一步得到精确的有限元分析结果，进而得到准确的地震安全分析结果。
示例性的，所述计算结果中，给贮存单元系统有限元模型施加时程中10s至10.2s的地震加速度。通过读取单元流固耦合面受力的最大值进行网格划分敏感性分析。第一种步长为0.005s，第二种为0.002s，分别提取出格架底板上应力强度最高处在两种计算步长时的应力强度，并据此计算出在两种计算步长时的应力强度相对误差。
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析。
首先，执行步骤S201：确定有限元分析方法。
所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析要建立考虑格架内部与周围流体影响的单个乏核燃料贮存格架的有限元模型，采用结构时程动力分析方法。
接着，执行步骤S202：简化有限元分析对象结构。
所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的结构简化包括：单个乏核燃料贮存格架分析模型的简化、格架与水池边缘间距简化和乏核燃料组件贮存单元系统简化。
在考虑单个乏核燃料贮存格架的运动时程分析时，其简化方式与在水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时单个乏核燃料贮存格架分析模型的简化一致，在此不再赘述。
由于要考虑内部以及周围流体对格架的影响，需要对格架与水池边缘间距简化。所述格架与水池边缘间距简化处理将水池边缘距格架X方向的距离设为实际水池边距边缘处格架的距离即为564mm，同理Y距水池的距离设为366mm。而高度则建立为12000mm。同时将格架围板处流体单元节点的水平自由度与格架围板壳单元的水平自由度进行耦合。
所述乏燃料组件贮存单元系统简化包括：采用整个乏燃料贮存单元系统的流体分析，在满载工况下直接在乏燃料贮存单元侧板上均匀施加由乏燃料贮存单元系统模型计算出的乏燃料贮存单元侧板受力。同时在乏燃料贮存单元底板上施加随重力加速度变化的组件重力。
接着，执行步骤S203：选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分。
所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析选定建模用有限单元种类包括：FLUID80单元、SHELL181单元以及BEAM188单元中的任意一种或多种。
所述单个乏核燃料贮存格架的有限元模型采用FLUID80单元来模拟水池内及格架内部的水；以计算静水压力和流体与固体的相互作用，包括加速度影响，如液体晃动问题，以及温度的影响。
示例性的，采用SHELL181单元来模拟底板、顶板、隔板、六方型直管以及围板、水池壁等结构的有限应变壳单元。
示例性的，采用BEAM188单元模拟从细长到中等长度的梁结构的有限应变梁单元。
示例性的，对所述单元网格划分进行时间敏感性验证。
所述单元网格划分采用对给出两种网格密度的单个格架有限元模型施加同一重力加速度以提取出两个最大应力的具体数值根据这两个应力数值就可以分析出这两个数值之间相对误差，也就是采用这两种格架模型分析得到的两个计算结果的相对误差。单元网格划分的多少会影响计算结果的大小。相对误差的数值可用来描述单元网格划分影响的敏感性。相对误差大，则单元网格划分对计算结果的影响大，意味着单元网格划分的敏感性强，所得计算结果的准确性不高，这种敏感性强的单元网格划分不宜采用。对一般工程设备有限元模型的单元网格划分都要进行敏感性验证，以保证相对误差不大于5％；对重要设备，应保证相对误差更小一些。
接着，执行步骤S204：选择有限元模型物性参数。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的物性参数包括流体物性参数和结构材料物性参数。
示例性的，所述流体物性参数包括：水的体积模量、密度以及粘度中的任意一种或多种。示例性的，选定水的体积模量为2.29E9Pa，密度为1000kg/m、粘度为30.001Pa·s。
所述结构材料物性参数见表1。
接着，执行步骤S205：确立有限元模型边界条件。
示例性的，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析边界条件包括格架四周约束条件与水池底板与格架支脚之间接触约束条件。
所述格架四周约束条件采用底板下部施加全约束以及水池壁全约束。
所述水池底板与格架支脚之间接触约束条件采用摩擦接触，其中，摩擦系数为0.8。
接着，执行步骤S206：计算格架有限元模型。
示例性的，通过对有限元模型施加惯性加速度计算出所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架的各个结构在地震中所受载荷与应力。其中格架的惯性加速度通过在满载时和空载时结合格架受力分别计算得到格架的惯性加速度地震加速度的关系而得到；其中，地震加速度通过地震加速度响应时程曲线得到，所述围板受力由所述全池流体运动时程分析中格架围板壁面得出。
示例性的，对有限元模型计算结果进行时间步长的敏感性验证，从而验证所建立的有限元分析模型的合理性，以进一步得到精确的有限元分析结果，进而得到准确的地震安全分析结果。
示例性的，采用对所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元模型施加时程中10s至10.5s的地震加速度。通过读取格架板壳结构最大薄膜加弯曲应力强度在时程中的最大值进行步长敏感性分析。第一种步长为0.005s，第二种为0.0025s。
根据本发明的有限元分析方法，可以在假定相同结构的格架和规定的相同地震载荷条件下，分析格架所受载荷与应力、应变，从而根据分析结果校核格架强度、变形与位移是否满足地震时的安全要求。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (23)
1.一种乏核燃料贮存格架地震安全的有限元分析方法，其特征在于，所述方法包括：
根据水池底板与格架支脚间摩擦系数的最大值与最小值，确定有限元分析对象；
对所述有限元分析对象分别建立和计算有限元模型，其中，所述建立和计算有限元模型的步骤包括：
确定有限元分析方法；
简化有限元分析对象结构；
选定建模用有限元单元，并对所述有限元单元进行网格划分；
选择有限元模型物性参数；
确立有限元模型边界条件；
计算有限元模型，得到有限元模型计算结果；其中，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数最小值为0.2，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数最大值为0.8，
所述有限元分析对象包括：
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析；
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析；
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析；
水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述有限元单元进行网格划分之前还包括对有限元模型进行网格敏感性验证，通过网格敏感性验证以确定网格划分。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对所述有限元模型计算结果进行时间步长的敏感性验证的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析采用流体时程动力分析方法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析的有限元对象结构简化包括全池设备布置简化、高度边界简化以及贮存格架简化。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析的有限元单元采用六面体流体单元。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析选用CFX自带的water模型常参数作为物性参数。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的全池流体运动有限元分析有限元边界条件包括格架流体域边界、格架结构边界。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析采用结构时程动力分析方法。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，参考乏核燃料贮存格架的结构，及各部件对格架作用影响的大小对所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析进行结构简化。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的有限元单元包括SHELL181单元、BEAM188单元。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的物性参数采用格架结构材料物性参数，其中，所述格架结构材料物性参数包括：室温强度极限、室温屈服极限、室温弹性模量、泊桑比、设计温度屈服极限、膨胀系数、密度和导热系数。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.2时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析边界条件包括格架底部约束条件、水池底板与格架支脚之间接触约束条件。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析采用双向流-固耦合时程动力分析方法。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析的结构简化包括：流体域的形状与尺寸的简化、组件运动简化和碰撞简化。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析的有限元单元包括：流体分析模型单元和格架结构模型单元；
其中，所述流体分析模型单元采用六面体单元，所述格架结构模型单元采用有限应变壳单元SHELL181。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析物性参数包括：流体物性参数和格架结构材料物性参数；
其中，所述流体物性参数选用CFX自带的water模型常参数，所述格架结构材料物性参数包括：室温强度极限、室温屈服极限、室温弹性模量、泊桑比、设计温度屈服极限、膨胀系数、密度和导热系数。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存单元运动有限元分析设定边界条件包括：流体域约束条件、贮存单元约束条件和贮存单元运动约束条件。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析采用结构时程动力分析方法。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的结构简化包括：单个乏核燃料贮存格架分析模型的简化、格架与水池边缘间距简化和乏核燃料组件贮存单元系统简化。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析选定建模用有限单元种类包括：FLUID80单元、SHELL181单元和BEAM188单元。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析的物性参数包括流体物性参数和结构材料物性参数；其中，
所述流体物性参数包括：水的体积模量、密度和粘度中的任意一种或多种，
所述格架结构材料物性参数包括：室温强度极限、室温屈服极限、室温弹性模量、泊桑比、设计温度屈服极限、膨胀系数、密度和导热系数。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水池底板与格架支脚间摩擦系数为0.8时的单个乏核燃料贮存格架运动有限元分析边界条件包括格架四周约束条件和水池底板与格架支脚之间接触约束条件。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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