CN107389286B - 快堆组件抗弯刚度测试装置及方法 - Google Patents

快堆组件抗弯刚度测试装置及方法 Download PDF

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    • G01M5/0041Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress
    • G01M5/005Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress by means of external apparatus, e.g. test benches or portable test systems

Abstract

本发明公开了一种快堆组件抗弯刚度测试装置及方法,该装置包括固定安装的立柱,立柱上设置了顶部支撑平台和中部支撑平台,顶部支撑平台上安装大推杆底座和小推杆底座,中部支撑平台上安装小推杆底座,推杆底座与水平加载装置连接;水平加载装置包括伺服电机、推杆、连接法兰、拉压传感器、C型连接件、六角卡箍,这些部件依次通过螺钉/螺栓进行连接;六角卡箍包裹快堆组件的上垫块或下垫块或活性区中平面后可对其施加水平推/拉力;本发明还提供一种快堆组件抗弯刚度测试方法。该快堆组件抗弯刚度测试装置及方法,最大程度上模拟了快堆组件在实际反应堆内的受力‑变形情况,具有载荷范围宽、载荷分布均匀、测量精度高等优点。

Description

快堆组件抗弯刚度测试装置及方法
技术领域
本发明属于快堆组件测试技术领域,具体涉及一种快堆组件抗弯刚度测试装置及方法。
背景技术
钠冷快堆组件是反应堆堆芯中最重要的部件,反应堆运行后,高温热膨胀、冷却剂压差、辐照脆性、辐照肿胀、辐照硬化、辐照蠕变、辐照疲劳等都可使组件发生弯曲变形,较大的组件变形会给核电站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。获得快堆组件的抗弯刚度,一方面可以验证组件材料选取及结构设计的可靠性,另一方面能够预测组件在反应堆内的力学行为,为堆芯结构、物理等分析设计提供输入参数和安全评估依据,对反应堆系统安全具有重要意义。
对于简单截面材料,抗弯刚度计算公式为EI,E是弹性模量,I是材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩。但是,快堆组件由操作头、六角形外套管、下过渡接头、管脚等多个结构复杂的零件组成,而且零件间有螺纹连接、焊接等不同的联接方式,无法通过计算惯性矩I的方法来直接求得快堆组件的抗弯刚度EI。因此,只能通过实验手段才能有效地获得快堆组件抗弯刚度。实验时,在快堆组件特定的高度上施加特定的水平力,如果弯曲变形量小说明组件的抗弯刚度大,如果弯曲变形量大说明组件的抗弯刚度小,因此需要一种实验装置对快堆组件某个特定的高度(如上垫块、下垫块、活性区中平面)施加水平力,水平力和受力点处横向位移的乘积能定量地反映抗弯刚度的大小,可作为抗弯刚度的度量。
国内外发明一些针对不同对象不同环境下的抗弯刚度测试的装置及方法,但这些装置及方法不涉及核反应堆工程背景。例如,专利申请号201310430364.9公开了一种对结构件在高低温环境下的抗弯刚度测试装置,此类装置是将试件卧放在高低温箱内,利用拉绳施加载荷,利用位移传感器测量位移。实际上,快堆组件竖直插在反应堆内,抗弯刚度测试需要水平加载力,而该加载装置为竖直加载,无法满足要求。
又例如,专利申请号201520433445.9公开了一种加载装置及具有其的系统,此类装置主体上有两个施加水平载荷的作动筒,试件放置两个作动筒中间,通过螺杆固定,实现来回两个方向的水平载荷施加。该装置能为小型试件施加水平载荷,但是快堆组件长约4米,而且需要在位置较高的上、下垫块处施加载荷,该类加载装置无法满足要求。
因此,希望有一种技术方案来克服现有技术的缺陷,满足快堆组件的抗弯刚度的测量。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有实验设计的缺点,提供一种快堆组件抗弯刚度测试装置及方法,该装置能够对全尺寸的快堆组件上垫块、下垫块与活性区中平面三个关键位置在往复两个方向上施加精确的水平载荷并测量受力点处横向位移,水平载荷和横向位移的乘积即为快堆组件的抗弯刚度。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种快堆组件抗弯刚度测试装置,包括固定的多个立柱10,在立柱10顶部设置一个顶部支撑平台5,在立柱10中部设置一个中部支撑平台9;顶部支撑平台5上安装大推杆底座3和小推杆底座4,大推杆底座3与水平加载装置2连接,为快堆组件1的上垫块提供水平载荷,小推杆底座4与水平加载装置2连接,为快堆组件1的下垫块提供水平载荷;中部支撑平台9上安装小推杆底座4,小推杆底座4与水平加载装置2连接,为快堆组件1的活性区中平面提供水平载荷;水平加载装置2包括通过螺栓依次连接的伺服电机207、推杆208、连接法兰204、拉压传感器203、C型连接件202、六角卡箍201、和拉压传感器203连接的PLC控制器205以及和伺服电机207连接的伺服驱动器206,伺服电机207与大推杆底座3或者小推杆底座4通过螺栓联接,伺服电机207和推杆208组成电动推杆,能够将伺服电机207的旋转运动转变为推杆208的直线往复运动,从而实现水平载荷的施加;拉压传感器203、PLC控制器205、伺服驱动器206和伺服电机207形成PLC闭环反馈控制,能够提供精确的水平力;六角卡箍201的形状贴合快堆组件1的外轮廓,配合推杆208的往复运动能对快堆组件1施加拉/压两种水平载荷;由于快堆组件1位移量较大超出了一般激光位移传感器的量程,因此本装置采用工业摄影测量仪来测量组件变形,获得精确的横向位移。
所述六角卡箍201包括对边六角卡箍2011和对角六角卡箍2012;实际反应堆中,快堆组件1的受力是对边水平载荷和对角水平载荷的组合,因此需要研究两种情况下快堆组件1的受力变形情况;若使用对边六角卡箍2011,快堆组件1采用对边安装方式,使推杆208中心线穿过组件的对边;若使用对角六角卡箍2012,快堆组件1采用对角安装方式,使推杆208中心线穿过快堆组件1的对角。
所述大推杆底座3包含底板301,底板301上有1#立板303,1#立板303两侧通过1#筋板302进行加强固定,1#立板303顶部有一块支撑板304,支撑板304上有两块2#立板306,2#立板306外侧通过2#筋板305进行加强固定;2#立板306上有一个通孔,用于与水平力加载装置2进行联接。
所述小推杆底座4包含底板401,底板401上焊接有两块立板402,立板402上有一个通孔,用于与水平力加载装置2进行联接。
快堆组件有三个关键位置:上垫块、下垫块、活性区中平面。实际反应堆中,相邻组件的上垫块、下垫块相互接触产生接触力,而活性区中平面理论上是燃料元件温度最高的地方(即存在很大的热应力)。因此,研究这三个关键位置的受力变形是测试组件抗弯刚度的最有效的方法。本发明在水平载荷抗弯刚度测试装置设计图上的三个高度都画出水平力加载装置2,但在解读设计图时必须时刻注意,本发明是依次在三个关键位置施加水平载荷,即任意时候只有一个高度上安装了水平力加载装置2,另外两个高度不存在水平力加载装置2。
所述快堆组件抗弯刚度测试装置进行快堆组件抗弯刚度的测试方法,包括以下步骤:
1)在快堆组件1的上垫块、下垫块、活性区中平面处粘贴摄影测量编码点;
2)将快堆组件1安装,利用六角卡箍201套住上垫块;
3)利用PLC控制器205和伺服驱动器206控制伺服电机207的正反转带动推杆208往复运动,对快堆组件1的上垫块施加精确的水平载荷即推力和拉力,拉压传感器203测量水平力大小;
4)利用工业摄影测量仪获取上垫块处编码点的横向位移;
5)记录上述水平力以及位移的数值,两者乘积即为快堆组件1的上垫块‐对边‐抗弯刚度;
同理,根据上述的方法对三个关键位置即快堆组件1的上垫块、下垫块和活性区中平面,两种安装方式即对边和对角安装开展实验,能够得到上垫块或下垫块或活性区中平面‐对边或对角‐抗弯刚度。
和现有技术相比较,本发明快堆组件抗弯刚度测试装置及方法,具有以下有益效果:
1.该装置通过顶部支撑平台5、中部支撑平台9、大推杆底座3、小推杆底座4能对快堆组件1的上垫块、下垫块、活性区中平面三个关键位置施加水平载荷,真实模拟反应堆中水平受力情况并研究不同位置抗弯刚度的差异;
2.该装置通过伺服电机207能够平滑调节水平力,载荷量程大,能覆盖反应堆中所有工况下组件接触力的范围;
3.该装置通过伺服电机207的正反转带动推杆208往复运动,提供推、拉两个方向的水平载荷,消除组件安装偏差带来的不均匀性;
4.该装置通过PLC控制器205和伺服驱动器206能够快速、精准控制水平力的大小,保证实验数据精度;
5.该装置通过工业摄影测量仪精确获得快堆组件1大变形下的位移,保证实验数据精度;
6.该装置通过对边六角卡箍2011和对角六角卡箍2012可研究对边抗弯刚度及对角抗弯刚度的差异。
附图说明
图1为快堆组件抗弯刚度测试装置的正视图。
其中:1、快堆组件;2、水平力加载装置;3、大推杆底座;4、小推杆底座;5、顶部支撑平台;6、立柱顶板;7、螺栓;8、顶板筋板;9、中部支撑平台;10、立柱;11、底板筋板;12、地脚螺栓;13、螺母;14、立柱底板;15、方管法兰;16、横梁。
图2A为大推杆底座的正视图,图2B为大推杆底座的左视图,图2C为大推杆底座的俯视图。
其中:301、底板;302、1#筋板;303、1#立板;304、支撑板;305、2#筋板;306、2#立板。
图3A为小推杆底座的正视图,图3B为小推杆底座的右视图,图3C为小推杆底座的俯视图。
其中:401、底板;402、立板。
图4为水平力加载装置的俯视图。
其中:201、六角卡箍;202、C型连接件;203、拉压传感器;204、连接法兰;205、PLC控制器;206、伺服驱动器;207、伺服电机;208、推杆;209、六角特扁螺母;210、高强度螺栓。
图5A为连接法兰的剖视图,图5B为连接法兰的俯视图。
其中:2041、传感器安装孔;2042、推杆连接孔;2043、推杆装配孔。
图6A为C型连接件的剖视图,图6B为C型连接件的俯视图。
其中:2021、卡箍安装孔;2022、螺栓装配孔。
图7为对边六角卡箍的俯视图。
其中:2011、对边六角卡箍。
图8为对角六角卡箍的俯视图。
其中:2012、对角六角卡箍。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参与图1至图8。须知,本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,任何结构的修饰、比例关系的修改或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达到的目的下,均应仍落在本发明所解释的技术内容能涵盖的范围内同时,本说明书中所引用的如“大”“小”“上”“下”“左”“右”“中间”“内”“外”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明的可实施的范畴。
如图1所示,本发明提供一种水平载荷抗弯刚度测试装置,它包括支撑整个装置的四根立柱10,立柱10为标准的空心方形钢管,立柱10立于立柱底板14上,立柱底板14在四个角上设有四个通孔,通过预埋在地基中的四个地脚螺栓12和螺母13来定位与固定;为了保证立柱10的牢固性,在立柱10根部四个面中间焊接有底板筋板11;为了保证立柱10的刚度,相邻两根立柱的下部通过横梁16相连,横梁16也是标准的空心方形钢管,横梁16与立柱10之间通过方管法兰15进行联接。
立柱10顶部有立柱顶板6,立柱顶板6的四个角上设有四个通孔;立柱顶板6通过顶板筋板8来加强与立柱10的联接,顶板筋板8只布置在立柱10的外侧,即每根立柱10配有两个顶板筋板8;在立柱顶板6上方设有顶部支撑平台5,顶部支撑平台5与立柱顶板6通过螺栓7联接。立柱10中部设有中部支撑平台9,中部支撑平台9通过焊接与立柱10进行联接。
顶部支撑平台5的右侧可安装大推杆底座3,大推杆底座3与水平力加载装置2通过螺栓连接,从而为快堆组件1的上垫块提供水平载荷。顶部支撑平台5的右侧也可安装小推杆底座4,小推杆底座4与水平力加载装置2通过螺栓连接,从而为快堆组件1的下垫块提供水平载荷。
中部支撑平台9的右侧可安装小推杆底座4,小推杆底座4与水平力加载装置2通过螺栓连接,从而为快堆组件1的活性区中平面提供水平载荷。
如图2A、2B、2C所示,大推杆底座3包含底板301,底板301上有1#立板303,1#立板303两侧通过1#筋板302进行加强固定,1#立板303顶部有一块支撑板304,支撑板304上有两块2#立板306,2#立板306外侧通过2#筋板305进行加强固定。2#立板306上有一个通孔,用于与水平力加载装置2进行联接。
如图3A、3B、3C所示,小推杆底座4包含底板401,底板401上焊接有两块立板402,立板402上有一个通孔,用于与水平力加载装置2进行联接。
如图4至图8所示,水平力加载装置2的电动推杆为成套设备,主要包含伺服电机207和推杆208,伺服电机207与大推杆底座3或者小推杆底座4通过螺栓联接。连接法兰204有三个类型的孔,推杆208末端插入推杆装配孔2043中,然后在侧面的推杆连接孔2042用螺栓进行联接,而法兰盘上有八个均布的传感器安装孔2041与拉压传感器203进行联接。高强度螺栓210一端与拉压传感器203联接,另一端与C型连接件202联接,然后用六角特扁螺母209进行固定。C型连接件202左侧的螺栓装配孔2022与高强度螺栓210连接,右侧的槽口与六角卡箍201配合后在上、下三个卡箍安装孔2021处用螺钉进行连接。六角卡箍201有两种类型:对边六角卡箍2011和对角六角卡箍2012;利用对边六角卡箍2011可以对组件施加对边的水平载荷,利用对角六角卡箍2012可以对组件施加对角的水平载荷;这两种六角卡箍201只是内侧的形状存在区别,而整体结构和安装方式相同;下面以对边六角卡箍2011为例进行说明其连接方式:对边六角卡箍2011整体加工后再通过线切割分为左右两半部分,左半部分与C型连接件202的槽口进行配合,左半部分的三个小通孔与C型连接件202的三个卡箍安装孔2021相对并通过螺钉进行连接;左、右两半部分通过螺栓和螺母进行连接。
本发明还提供快堆组件抗弯刚度测试方法,该方法可以选择组件上垫块、下垫块、活性区中平面三个位置其中之一施加水平力,然后测量该水平力下受力点的位移,水平力与位移的乘积即为组件的抗弯刚度。以对上垫块施加对边水平载荷为例说明抗弯刚度测试方法,包括以下步骤:
1)在快堆组件1的上垫块,下垫块,活性区中平面处粘贴摄影测量编码点;
2)推杆208、连接法兰204、拉压传感器203、高强度螺栓210、C型连接件202、对边六角卡箍2011左半部分依次通过螺栓/螺钉连接成为水平力加载装置2;
3)将水平力加载装置2安装在大推杆底座3上,将快堆组件1安装在指定位置,调节推杆208的行程使对边六角卡箍2011靠近快堆组件1的上垫块,将对边六角卡箍2011左、右两部分通过螺栓联接起来;
4)按照实验规程依次施加一组推/拉水平力,拉压传感器203记录水平力大小,每次待水平力稳定后利用工业摄影测量仪测量上垫块的横向位移,水平力与位移的乘积为上垫块‐对边‐抗弯刚度;
5)同理依照上述步骤能得到上垫块(下垫块、活性区中平面)‐对边(对角)‐抗弯刚度。
综上所述,本发明水平载荷抗弯刚度测试装置及方法,能够对竖直安装的快堆组件的三个关键位置在对边/对角方向施加推/拉水平力,各种加载方式的组合最大程度地模拟了实际反应堆中组件的受力和变形,通过水平力和位移的乘积得到不同类型的抗弯刚度,为组件变形程序的验证提供丰富的数据支撑。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度的利用价值。
以上内容仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种快堆组件抗弯刚度测试装置,其特征在于:包括固定的多个立柱(10),在立柱(10)顶部设置一个顶部支撑平台(5),在立柱(10)中部设置一个中部支撑平台(9);顶部支撑平台(5)上安装大推杆底座(3)和小推杆底座(4),大推杆底座(3)与水平加载装置(2)连接,为快堆组件(1)的上垫块提供水平载荷,小推杆底座(4)与水平加载装置(2)连接,为快堆组件(1)的下垫块提供水平载荷;中部支撑平台(9)上安装小推杆底座(4),小推杆底座(4)与水平加载装置(2)连接,为快堆组件(1)的活性区中平面提供水平载荷;水平加载装置(2)包括通过螺栓依次连接的伺服电机(207)、推杆(208)、连接法兰(204)、拉压传感器(203)、C型连接件(202)、六角卡箍(201)、和拉压传感器(203)连接的PLC控制器(205)以及和伺服电机(207)连接的伺服驱动器(206),伺服电机(207)与大推杆底座(3)或者小推杆底座(4)通过螺栓联接,伺服电机(207)和推杆(208)组成电动推杆,能够将伺服电机(207)的旋转运动转变为推杆(208)的直线往复运动,从而实现水平载荷的施加;拉压传感器(203)、PLC控制器(205)、伺服驱动器(206)和伺服电机(207)形成PLC闭环反馈控制,能够提供精确的水平力;六角卡箍(201)的形状贴合快堆组件(1)的外轮廓,配合推杆(208)的往复运动能对快堆组件(1)施加拉/压两种水平载荷。
2.根据权利要求1所述的一种快堆组件抗弯刚度测试装置,其特征在于:所述六角卡箍(201)包括对边六角卡箍(2011)和对角六角卡箍(2012);实际反应堆中,快堆组件(1)的受力是对边水平载荷和对角水平载荷的组合,因此需要研究两种情况下快堆组件(1)的受力变形情况;若使用对边六角卡箍(2011),快堆组件(1)采用对边安装方式,使推杆(208)中心线穿过快堆组件(1)的对边;若使用对角六角卡箍(2012),快堆组件(1)采用对角安装方式,使推杆(208)中心线穿过快堆组件(1)的对角。
3.根据权利要求1所述的一种快堆组件抗弯刚度测试装置,其特征在于:所述大推杆底座(3)包含底板(301),底板(301)上有1#立板(303),1#立板(303)两侧通过1#筋板(302)进行加强固定,1#立板(303)顶部有一块支撑板(304),支撑板(304)上有两块2#立板(306),2#立板(306)外侧通过2#筋板(305)进行加强固定;2#立板(306)上有一个通孔,用于与水平力加载装置(2)进行联接。
4.根据权利要求1所述的一种快堆组件抗弯刚度测试装置,其特征在于:所述小推杆底座(4)包含底板(401),底板(401)上焊接有两块立板(402),立板(402)上有一个通孔,用于与水平力加载装置(2)进行联接。
5.权利要求1至4任一项所述的快堆组件抗弯刚度测试装置进行快堆组件抗弯刚度的测试方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)在快堆组件(1)的上垫块、下垫块、活性区中平面处粘贴摄影测量编码点;
2)将快堆组件(1)安装,利用六角卡箍(201)套住上垫块;
3)利用PLC控制器(205)和伺服驱动器(206)控制伺服电机(207)的正反转带动推杆(208)往复运动,对快堆组件(1)的上垫块施加精确的水平载荷即推力和拉力,拉压传感器(203)测量水平力大小;
4)利用工业摄影测量仪获取上垫块处编码点的横向位移;
5)记录上述水平力以及位移的数值,两者乘积即为快堆组件(1)的上垫块-对边-抗弯刚度;
同理,根据上述的方法对三个关键位置即快堆组件(1)的上垫块、下垫块和活性区中平面,两种安装方式即对边和对角安装开展实验,能够得到上垫块或下垫块或活性区中平面-对边或对角-抗弯刚度。
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