CN109583022B - 燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，包括：S1、确定包壳管的参数；S2、分析处理获得在不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度；S3、根据获得的不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度、结合包壳管内外压差，获得不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的刚度；S4、根据式(1)获得包壳管修正因子F；S5、根据包壳管管长、初始椭圆度和包壳内外压差对包壳管修正因子的影响性分析，确定有限长管修正因子的曲线，建立有限长管修正方法。本发明解决了燃料棒包壳蠕变坍塌分析中端部边界条件对包壳蠕变行为影响的问题，提高了燃料棒包壳蠕变分析的合理性和可靠性，保证了燃料棒在工程分析和设计中包壳蠕变坍塌分析可靠性。

Description

燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法
技术领域
本发明涉及一种反应堆中燃料棒包壳蠕变分析技术领域，尤其涉及一种燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法。
背景技术
在上世纪70～80年代，燃料棒包壳蠕变坍塌是燃料棒失效的主要原因之一，因此燃料棒蠕变坍塌成为是燃料棒设计准则之一。
在压水堆运行过程中，陶瓷芯块在辐照初会发生密实现象，并导致芯块柱轴向高度变短，而燃料棒包壳由于辐照生长将会变长。由于冷却剂压力大于燃料棒内压以及包壳的蠕变行为，芯块与包壳接触后可能在芯块柱轴向出现没有芯块支撑的包壳管段，即未支撑包壳管段。在包壳外压和蠕变作用下，失去芯块支撑的有限长包壳管向内蠕变，并导致包壳管变形不断增加，包壳变形到达一定程度或包壳被压扁，即发生包壳蠕变坍塌。
由于燃料棒中未支撑包壳管段长度是有限的，两端受芯块的支撑作用，而包壳蠕变模型是在空包壳管上进行实验获得的，实验所用空包壳管相对于未支撑包壳管段是无限长的，因此不能直接通过包壳蠕变模型计算未支撑管段的蠕变行为，而需对包壳蠕变模型进行修正，其修正因子称为有限长管修正因子。
由于包壳蠕变有限长管修正因子直接影响包壳蠕变行为，而包壳蠕变是燃料棒包壳蠕变坍塌分析中的核心，因此有限长管修正因子是包壳蠕变分析中的重要参数，直接影响包壳蠕变分析的合理性和可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有的上述缺陷，提供一种燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，包括以下步骤：
S1、确定包壳管的参数，所述参数包括包壳管的外直径、厚度、管长、初始椭圆度、包壳管材料类型以及包壳管内外压差P；
S2、通过有限元软件分析处理获得在不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度ty；
S3、根据获得的不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度ty、结合包壳管内外压差P，获得不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的刚度；包壳管的刚度包括包壳管为有限长时的刚度K有限以及包壳管为无限长时的刚度K无限；
S4、根据下式(1)获得包壳管修正因子F：
Figure BDA0001845720420000021
S5、根据包壳管管长、初始椭圆度和包壳内外压差P对包壳管修正因子的影响性分析，确定有限长管修正因子的曲线，建立有限长管修正方法。
优选地，步骤S1中，根据包壳管材料类型确定包壳管的物性参数；所述包壳管的物性参数包括杨氏模量和泊松比。
优选地，步骤S1中，所述包壳管内外压差P各处相等。
优选地，步骤S2包括：
S2.1、建立包壳管几何模型，根据包壳管两端椭圆环形的长轴和短轴，将包壳管分为四部分，并将四条分割线的中点设置为节点，得到包壳管中间截面椭圆上的四个节点；
S2.2、设置包壳管的物性参数、包壳管界面属性参数；
S2.3、分析步设置：设置包壳管的分析模型为静力分析，设置输出四个节点在x、y和z三个方向的位移；
S2.4、边界条件设置：对包壳管的两端分别进行约束设置，设置包壳管外表面为均匀受压，压力与包壳管内外压差一致；
S2.5、网格划分：将包壳管几何模型进行网格划分；
S2.6、计算分析和后处理：通过求解器对包壳管几何模型进行分析计算，计算完成后，得到包壳管变形云图；将包壳管上四个节点位移导出，计算包壳管椭圆度ty。
优选地，步骤S2.1包括：
S2.1.1、根据包壳管的外直径、厚度和初始椭圆度计算获得包壳管的长轴和短轴，根据包壳管的管长以及获得的长轴和短轴，建立包壳管几何模型；
S2.1.2、将包壳管分为四部分，并将四条分割线的中点设置为节点，得到包壳管中间截面椭圆上的四个节点。
优选地，在分析步设置后还对包壳管进行接触设置，选用无滑移、硬接触的方式。
优选地，步骤S2.2中，所述包壳管的物性参数包括杨氏模量和泊松比；包壳管的界面属性参数包括包壳管界面模型、厚度。
优选地，步骤S2.6中，根据导出的包壳管上四个节点的位移，结合包壳管变形前的长轴和短轴，获得包壳管变形后的长轴DL和短轴DS，根据ty＝DL-DS获得包壳管椭圆度ty。
优选地，步骤S3中，刚度K有限为有限长时包壳管内外压差P和包壳管椭圆度ty的比值；
刚度K无限为无限长时包壳管内外压差P和包壳管椭圆度ty的比值；
步骤S4中，包壳管修正因子F可由下式(2)获得：
Figure BDA0001845720420000041
优选地，结合步骤S3、S4，根据相同包壳管管长下不同包壳管初始椭圆度的包壳管修正因子关系曲线，确定初始椭圆度和修正因子的关系；
根据相同包壳管初始椭圆度下不同包壳管管长的包壳管修正因子关系曲线，确定包壳管管长和修正因子的关系；
根据相同包壳管管长和初始椭圆度下不同包壳内外压差P的包壳管修正因子关系曲线，确定包壳管内外压差P和修正因子的关系。
本发明的有益效果：通过建立燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法，解决了燃料棒包壳蠕变坍塌分析中端部边界条件对包壳蠕变行为影响的问题，提高了燃料棒包壳蠕变分析的合理性和可靠性，保证了燃料棒在工程分析和设计中包壳蠕变坍塌分析可靠性，间接提高核电站的安全性和经济性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法流程图；
图2是本发明中包壳管几何模型的设置过程示意图。
具体实施方式
结合图1、图2，本发明一实施例的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，可包括以下步骤：
S1、确定包壳管的参数。
包壳管的参数包括包壳管的外直径、厚度、管长(包壳管长度)、初始椭圆度、包壳管材料类型、包壳管内外压差P等。
其中，为了分析管长对修正因子的影响，根据需要确定不同长度的包壳管，并通过有限元软件分析不同长度包壳管的失稳压力，确定无限长包壳管等效长度，即最大的包壳管长度。例如包壳管长度为10mm、20mm、40mm、60mm，假设60mm管长为无限管长。
为了分析初始椭圆度对修正因子的影响，根据需要确定不同初始椭圆度的包壳管，根据燃料棒包壳管加工制造等情况，确定包壳管最大初始椭圆度。例如包壳管初始椭圆度为0.02mm、0.04mm和0.06mm，假设0.06mm为最大初始椭圆度。
由于不同的包壳管材料的物性参数(杨氏模量、泊松比)不同，因此需要确定包壳管的材料类型，例如Zr-4。
确定包壳管的内外压差P，该内外压差P作为包壳管所受载荷大小，例如9MPa。包壳管内外压差P各处相等。
S2、通过有限元软件分析处理获得在不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度ty。有限元软件可以采用如ABAQUS等有限元软件实现。
该步骤S2进一步可包括：
S2.1、建立包壳管几何模型，根据包壳管两端椭圆环形的长轴和短轴，将包壳管分为四部分，并将四条分割线的中点设置为节点，得到包壳管中间截面椭圆上的四个节点，如图2中(a)所示。
具体地，该步骤S2.1可包括S2.1.1、根据包壳管的外直径、厚度和初始椭圆度计算获得包壳管的长轴和短轴，根据包壳管的管长以及获得的长轴和短轴，建立包壳管几何模型；S2.1.2、将包壳管分为四部分，并将四条分割线的中点设置为节点，得到包壳管中间截面椭圆上的四个节点。
S2.2、设置包壳管的物性参数、包壳管界面属性参数，该设置的各参数赋予上述建立的包壳管几何模型中。
包壳管的物性参数包括杨氏模量和泊松比等。包壳管的界面属性参数包括包壳管界面模型、厚度等。
S2.3、分析步设置：设置包壳管的分析模型为静力分析，根据需要设置分析时间和时间步长，将包壳管中间截面椭圆上的四个节点创建为集合，设置输出四个节点在x、y和z三个方向的位移。
考虑到包壳管在受压过程中，其内表面可能接触，根据需要在分析步设置后还对包壳管进行接触设置，选用无滑移、硬接触的方式，如图2中(b)所示。
S2.4、边界条件设置。
边界条件设置包括对包壳管的两端分别进行约束设置、设置包壳管外表面为均有受压，如图2中(c)所示。
其中，包壳管一端约束6个方向的自由度，另一端约束5个方向自由度，包壳管的轴向(z方向)位移不约束。包壳管外表面受压的压力与包壳管内外压差一致。
S2.5、网格划分：将包壳管几何模型进行网格划分。
将网格单元设置为双曲薄/厚壳、减缩积分、沙漏控制及有限膜应变单元，并赋予给包壳管几何模型，对包壳管几何模型进行网格划分，划分为四边形网格，如图2中(d)所示。
S2.6、计算分析和后处理：通过求解器对包壳管几何模型进行分析计算，计算完成后，得到包壳管变形云图，从包壳管变形云图中可观察包壳管的变形情况，包括包壳管上网格的位移。将包壳管上四个节点位移导出，计算包壳管椭圆度ty。
从包壳管变形云图显示可知，包壳管自中间位置到两端位置，变形(包壳管上各个节点、网格的位移)逐渐减小。
根据导出的包壳管上四个节点的位移，结合包壳管变形前的长轴和短轴，获得包壳管变形后的长轴DL和短轴DS，根据ty＝DL-DS获得包壳管椭圆度ty。
根据上述包壳管椭圆度ty的计算方法，可以计算不同包壳管管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度ty。例如，管长为10mm时，初始椭圆度分别为0.02mm、0.04mm和0.06mm的包壳管椭圆度；管长为无限管长(即60mm)时，初始椭圆度分别为0.02mm、0.04mm和0.06mm的包壳管椭圆度。
S3、根据获得的不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度ty、结合包壳管内外压差P(单位MPa)，获得不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的刚度；包壳管的刚度包括包壳管为有限长时的刚度K有限以及包壳管为无限长时的刚度K无限。
为了准确反映包壳管变形与刚度的关系，将包壳管刚度定义为包壳管内外压差与椭圆度的比值，其中，刚度K有限为有限长时包壳管内外压差P和包壳管椭圆度ty的比值，单位为MPa/mm；刚度K无限为无限长时包壳管内外压差P和包壳管椭圆度ty的比值，单位为MPa/mm。
包壳管刚度是材料或结构的固有特性。对于受压包壳管，当外部载荷、材料性质、几何形状和边界条件等工况条件相同，包壳管刚度只与包壳管长有关。由于包壳管刚度反应了包壳管抵抗变形的能力，因此可以通过有限长和无限长包壳管刚度的不同，分析计算有限长管修正因子，进而实现对包壳蠕变模型的修正。
S4、根据下式(1)获得包壳管修正因子F：
Figure BDA0001845720420000081
进一步地，包壳管修正因子F可由下式(2)获得：
Figure BDA0001845720420000082
根据上式(1)、(2)即可计算获得不同管长和初始椭圆度下包壳管修正因子。例如，管长为10mm时，初始椭圆度分别为0.02mm、0.04mm和0.06mm的包壳管修正因子；管长为无限管长(即60mm)时，初始椭圆度分别为0.02mm、0.04mm和0.06mm的包壳管修正因子。
结合上述步骤S3、S4，即可：
根据相同包壳管管长下不同包壳管初始椭圆度的包壳管修正因子关系曲线，可以确定初始椭圆度和修正因子的关系：初始椭圆度对修正因子影响非常小。
根据相同包壳管初始椭圆度下不同包壳管管长的包壳管修正因子关系曲线，可以确定包壳管管长和修正因子的关系：随着管长增加，修正因子不断增加，超过一定值后不再变化。
根据相同包壳管管长和初始椭圆度下不同包壳内外压差P的包壳管修正因子关系曲线，确定包壳管内外压差P和修正因子的关系：包壳管内外压差对修正因子影响非常小。
S5、根据包壳管管长、初始椭圆度和包壳内外压差P对包壳管修正因子的影响性分析，可获得包壳管修正因子只与其中管长相关，因此可确定有限长管修正因子的曲线，建立有限长管修正方法，以用于燃料棒包壳蠕变坍塌分析中包壳蠕变行为的修正。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定包壳管的参数，所述参数包括包壳管的外直径、厚度、管长、初始椭圆度、包壳管材料类型以及包壳管内外压差P；
S2、有限元分析处理：通过有限元软件分析处理获得在不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度ty；
S3、获得包壳管刚度：根据获得的不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的椭圆度ty、结合包壳管内外压差P，获得不同管长和不同初始椭圆度下包壳管的刚度；包壳管的刚度包括包壳管为有限长时的刚度K有限以及包壳管为无限长时的刚度K无限；
S4、获得包壳管修正因子：根据下式(1)获得包壳管修正因子F；
Figure FDA0002416411000000011
S5、建立有限长管修正方法：根据包壳管管长、初始椭圆度和包壳管内外压差P对包壳管修正因子的影响性分析，确定有限长管修正因子的曲线，建立有限长管修正方法。
2.根据权利要求1所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法， 其特征在于，步骤S1中，根据包壳管材料类型确定包壳管的物性参数；所述包壳管的物性参数包括杨氏模量和泊松比。
3.根据权利要求1所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，步骤S1中，所述包壳管内外压差P各处相等。
4.根据权利要求1所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1、建立包壳管几何模型，根据包壳管两端椭圆环形的长轴和短轴，将包壳管分为四部分，并将四条分割线的中点设置为节点，得到包壳管中间截面椭圆上的四个节点；
S2.2、设置包壳管的物性参数、包壳管界面属性参数；
S2.3、分析步设置：设置包壳管的分析模型为静力分析，设置输出四个节点在x、y和z三个方向的位移；
S2.4、边界条件设置：对包壳管的两端分别进行约束设置，设置包壳管外表面为均匀受压，压力与包壳管内外压差一致；
S2.5、网格划分：将包壳管几何模型进行网格划分；
S2.6、计算分析和后处理：通过求解器对包壳管几何模型进行分析计算，计算完成后，得到包壳管变形云图；将包壳管上四个节点位移导出，计算包壳管椭圆度ty。
5.根据权利要求4所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，步骤S2.1包括：
S2.1.1、根据包壳管的外直径、厚度和初始椭圆度计算获得包壳管的长轴和短轴，根据包壳管的管长以及获得的长轴和短轴，建立包壳管几何模型；
S2.1.2、将包壳管分为四部分，并将四条分割线的中点设置为节点，得到包壳管中间截面椭圆上的四个节点。
6.根据权利要求4所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，在分析步设置后还对包壳管进行接触设置，选用无滑移、硬接触的方式。
7.根据权利要求4所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，步骤S2.2中，所述包壳管的物性参数包括杨氏模量和泊松比；包壳管的界面属性参数包括包壳管界面模型、厚度。
8.根据权利要求4所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，步骤S2.6中，根据导出的包壳管上四个节点的位移，结合包壳管变形前的长轴和短轴，获得包壳管变形后的长轴DL和短轴DS，根据ty＝DL-DS获得包壳管椭圆度ty。
9.根据权利要求1所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，步骤S3中，刚度K有限为有限长时包壳管内外压差P和包壳管椭圆度ty的比值；
刚度K无限为无限长时包壳管内外压差P和包壳管椭圆度ty的比值；
步骤S4中，包壳管修正因子F可由下式(2)获得：
Figure FDA0002416411000000031
10.根据权利要求1-9任一项所述的燃料棒包壳蠕变有限长管修正方法的建立方法，其特征在于，结合步骤S3、S4，根据相同包壳管管长下不同包壳管初始椭圆度的包壳管修正因子关系曲线，确定初始椭圆度和修正因子的关系；
根据相同包壳管初始椭圆度下不同包壳管管长的包壳管修正因子关系曲线，确定包壳管管长和修正因子的关系；
根据相同包壳管管长和初始椭圆度下不同包壳管内外压差P的包壳管修正因子关系曲线，确定包壳管内外压差P和修正因子的关系。
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