CN110020479A - 一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法 - Google Patents

一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，包括：获得流体在圆筒壳体表面分布的流场参数；确定圆筒结构的空间相关函数；基于圆筒结构的空间相关函数，计算得到作用在圆筒结构表面的随机湍流激励力功率谱密度；得到作用在圆筒结构表面的随机湍流激励力时程；将圆筒结构表面各离散区域的随机湍流激励力时程转换到频域；计算圆筒结构表面各离散区域对应随机湍流激励力时程曲线之间的相干系数，并对各组随机湍流激励力时程之间的相干性进行验证；将通过验证的随机湍流激励力时程施加到圆筒结构上，计算圆筒结构的随机湍流激励诱发振动响应，为圆筒结构随机湍流激励诱发振动计算提供一种更为准确的通用方法。

Description

一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法
技术领域
本发明涉及反应堆结构力学领域，尤其涉及反应堆堆内吊篮结构等圆筒结构的随机湍流激励振动的分析方法。
背景技术
在反应堆结构中，引发流致振动的机理主要包括湍流激振、流弹失稳、漩涡脱离和声共振。反应堆结构流致振动分析所涉及的主要部件包括反应堆堆内构件、蒸汽发生器传热管、燃料组件核级管道系统等，这些结构部件大多可抽象为圆筒结构或圆柱系。流体相对结构部件的流动方向分为轴向和横向，流体可能在结构内部或结构外部，并可能流经环形缝隙或紧密排列的圆柱系之间。不同的结构形式结合不同的流动状态，所应考虑的流致振动机理亦有所不同。对于存在环形缝隙流动的圆筒结构而言，湍流激振是需要重点关注的流致振动机理。
湍流激振是指：湍流中脉动变化的压力和速度场不断供给结构能量，当湍流脉动的主频率与结构的固有频率相近时，结构吸收能量并产生振动。湍流脉动的频率范围较宽且具有很强的随机性。结构仅在其固有频率附近产生响应。湍流激振会引起部件疲劳和磨损，给反应堆安全带来潜在危害，也会增加部件维修费用。
目前对圆筒结构随机湍流激励诱发振动的研究方法主要有三种：一是同时考虑流体对结构以及结构变形对流场的影响，联立流体方程和固体方程并同时求解，该方法可以将流固耦合效应考虑得更为充分，但目前这一问题尚未得到严格的数学解；二是基于试验的理论分析方法，该方法基于随机振动理论和试验测量的随机振动响应均方根值，通过模态分析结果和相对变形关系，得到结构响应极值；三是基于试验测量的流体力，对结构进行随机振动分析，得到结构的整体响应。
综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
双向流固耦合方法需要大量的计算资源和时间，计算代价很大，目前计算结果与实测结果存在较大偏差，难以用于实际工程问题中；基于试验的理论分析方法和随机振动分析，均严重依赖试验，当结构进行局部改进时，则需要重新进行试验，耗费大量的时间和资源。
发明内容
本发明提供了一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，解决了现有理论分析方法严重依赖试验以及试验测点有限，无法得到结构任一位置响应的问题，得到了圆筒内外流体耦合的计算模型，为圆筒结构随机湍流激励诱发振动计算提供一种更为准确的通用方法，为圆筒类设备的随机湍流激励诱发振动分析、设计改进和安全评价提供了一种分析方法。
为达到上述发明目的，本申请实施例提供了一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，所述方法包括：
1)利用计算流体动力学软件对圆筒壳体内外侧的流场进行计算，获得所述流体在圆筒表面分布的流场参数；
2)基于所述圆筒的结构参数，利用本发明提供的垂向空间函数和环向空间函数，确定空间相关函数
3)在确定空间相关函数的基础上，利用公式(1)、公式(2)和公式(3)得到作用在圆筒表面的随机湍流激励力功率谱密度；
4)将圆筒结构在垂向和环向进行离散，基于所述流场参数和圆筒表面的随机湍流激励力功率谱密度，通过IFFT方法(快速傅里叶逆变换)把频域的功率谱密度转换到时域，得到作用在圆筒表面的湍流激励力时程；
5)通过FFT方法(快速傅里叶变换)将圆筒表面各离散区域的湍流激励力时程转换到频域，确保人工时程对应的反应谱(计算反应谱)需尽可能包络目标反应谱，以保证计算结果的精度；
其中：
式中，f*＝f×D/U，ΦF(f*)为湍流激励力功率谱密度函数，k为调节系数，U为流体速度，D为特征尺度，ρ为流体密度，Ψ(f*)为形函数，A为脉动压力作用面积，ΦF(f)为离散区域的激励力功率谱密度，ΦP(f)为脉动压力功率谱密度，为空间相干函数，Γz和Γθ为垂向空间分布函数和环向空间分布函数，λz和λθ为相关长度，z′和θ′为载荷作用点在圆筒上的标高和角度，z″和θ″为圆筒结构参数,R为圆筒结构的外径，e为自然常数,是与频率相关的项。
6)计算各离散区域对应时程曲线之间的相干系数，验证各组时程之间的相干性，要求各组时程相互独立，满足相关性要求；
7)将满足要求的随机湍流激励力时程施加到圆筒结构上，计算圆筒结构的随机湍流激励诱发振动响应。
进一步的，所述流场参数具体包括：圆筒内外流体的密度和流速。
进一步的，所述结构参数具体为：所述圆筒的几何尺寸、材料特性、支撑形式以及各阶振型与频率。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1)利用本发明提供的垂向空间函数和环向空间函数，可以高效、便捷地通过快速傅里叶逆变换获得随机湍流激励力时程。
2)本发明可以用于计算存在环形缝隙流动的圆筒结构在随机湍流激励下的振动响应，可以得到圆筒结构任一位置的结构响应，弥补试验测点有限的不足。
3)本发明在结构进行局部改进或者运行参数发生变化时，可以评估该变化对圆筒结构随机湍流激励振动响应的影响，避免重复试验，提高设计效率，节约成本。
4)所有过程由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于计算反应堆吊篮结构的随机湍流激励诱发振动响应。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本申请发明实施例中某一离散块的湍流激励力时程及其对应的计算反应谱和目标反应谱；
图3为本申请实施例中吊篮中部的水平位移时程及其频谱图；
图4为本申请实施例中吊篮正对反应堆压力容器入口下方的垂向应变时程及其频谱图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的实施例如下：
吊篮为圆筒结构，由吊篮法兰、吊篮筒体、出水口管嘴、堆芯下板、堆芯支撑柱、堆芯支撑板和二次支撑构件组成。吊篮组件通过吊篮法兰固定，吊篮法兰在预紧螺栓和压紧环的作用下，压紧固定在反应堆压力容器支撑台阶上，吊篮下端自由。吊篮法兰、堆芯支撑板与吊篮筒体通过焊接连接；堆芯下板与吊篮筒体通过螺栓连接，堆芯支撑柱通过螺栓与堆芯下板和堆芯支撑板连接。吊篮筒体主要尺寸：外径3750mm，壁厚60mm，高度8227mm，堆芯支承板厚度410mm。本实施例取反应堆的吊篮结构作为研究对象。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，请参考图1。
S10，利用计算流体动力学软件对圆筒壳体内外侧的流场进行计算，获得所述流体在圆筒表面分布的流场参数。
在步骤S10之后，本申请实施例的方法便进入步骤S20，即：基于所述圆筒的结构参数，利用本发明提供的垂向空间函数和环向空间函数，确定空间相关函数。
在步骤S20之后，本申请实施例的方法便进入步骤S30，即：基于空间相关函数，确定作用在圆筒表面的随机湍流激励力功率谱密度。
在步骤S30之后，本申请实施例的方法便进入步骤S40，即：基于所述流场参数和圆筒表面的随机湍流激励力功率谱密度，通过IFFT方法(快速傅里叶逆变换)把频域的功率谱密度转换到时域，得到作用在圆筒表面的湍流激励力时程。
在步骤S40之后，本申请实施例的方法便进入步骤S50，即：通过FFT方法(快速傅里叶变换)将圆筒表面各离散区域的湍流激励力时程转换到频域，判断人工时程对应的反应谱(计算反应谱)是否包络目标反应谱。图2为其中一个离散块的湍流激励力时程及其对应的计算反应谱和目标反应谱。
在步骤S50之后，本申请实施例的方法便进入步骤S60，即：计算各离散区域对应时程曲线之间的相干系数，验证各组时程之间的相干性，判断其是否满足相关性要求。
在步骤S60之后，本申请实施例的方法便进入步骤S70，将满足要求的随机湍流激励力时程施加到圆筒结构上，计算圆筒结构的随机湍流激励诱发振动响应并输出计算结果。其中，图3为吊篮中部的水平位移时程及其频谱图，图4为吊篮正对反应堆压力容器入口下方的垂向应变时程及其频谱图。
其中，在本申请实施例中，所述流场参数具体包括：圆筒内外流体的密度和流速。
其中，在本申请实施例中，所述结构参数具体为：所述圆筒的几何尺寸、材料特性、支撑形式以及各阶振型与频率。
其中，在实际应用中，商用有限元软件为：ANSYS，数值计算软件为：MATLAB。
本发明中的一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，所述方法包括：利用计算流体动力学软件对圆筒壳体内外侧的流场进行计算，获得所述流体在圆筒表面分布的流场参数；基于所述圆筒的结构参数，利用本发明提供的垂向空间函数和环向空间函数，确定空间相关函数；在确定空间相关函数基础上，利用公式(1)、公式(2)和公式(3)得到作用在圆筒表面的随机湍流激励力功率谱密度；将圆筒结构在垂向和环向进行离散，基于所述流场参数和圆筒表面的随机湍流激励力功率谱密度，通过IFFT方法(快速傅里叶逆变换)把频域的功率谱密度转换到时域，得到作用在圆筒表面的湍流激励力时程；通过FFT方法(快速傅里叶变换)将圆筒表面各离散区域的湍流激励力时程转换到频域，确保人工时程对应的反应谱(计算反应谱)需尽可能包络目标反应谱，以保证计算结果的精度；计算各离散区域对应时程曲线之间的相干系数，验证各组时程之间的相干性，要求各组时程相互独立，满足相关性要求；将满足要求的随机湍流激励力时程施加到圆筒结构上，计算圆筒结构的随机湍流激励诱发振动响应。本发明提供的垂向空间函数和环向空间函数，可以得到圆筒表面各离散区域的随机湍流激励力功率谱密度。基于随机湍流激励力功率谱密度，可以高效、便捷地通过快速傅里叶逆变换获得随机湍流激励力时程。基于MATLAB和ANSYS平台APDL语言编制了处理程序，可以便捷、准确、高效地计算圆筒结构在随机湍流激励下的振动响应，能够弥补试验测定有限的不足，提高设计效率，节约成本。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：获得流体在圆筒壳体表面分布的流场参数；
步骤2：确定圆筒结构的空间相关函数
步骤3：基于圆筒结构的空间相关函数计算得到作用在圆筒结构表面的随机湍流激励力功率谱密度；
步骤4：将圆筒结构在垂向和环向进行离散，基于流场参数和圆筒结构表面的随机湍流激励力功率谱密度，将频域的功率谱密度转换到时域，得到作用在圆筒结构表面的随机湍流激励力时程；
步骤5：将圆筒结构表面各离散区域的随机湍流激励力时程转换到频域；
步骤6：计算圆筒结构表面各离散区域对应随机湍流激励力时程曲线之间的相干系数，并对各组随机湍流激励力时程之间的相干性进行验证；
步骤7：将通过验证的随机湍流激励力时程施加到圆筒结构上，计算圆筒结构的随机湍流激励诱发振动响应。
2.根据权利要求1所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，所述步骤1具体为：对圆筒壳体内外侧的流场进行计算，获得流体在圆筒壳体表面分布的流场参数。
3.根据权利要求1所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，所述步骤2具体为：基于圆筒结构的结构参数，利用圆筒结构的垂向空间函数和环向空间函数，确定空间相关函数
4.根据权利要求3所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，基于圆筒结构的结构参数，通过公式4-公式6确定空间相关函数
其中，为圆筒结构空间相干函数，Γz和Γθ为圆筒结构垂向空间分布函数和圆筒结构环向空间分布函数，λz和λθ为相关长度，z′和θ′为载荷作用点在圆筒结构上的标高和角度，z″和θ″为圆筒结构参数，R为圆筒结构的外径，e为自然常数。
5.根据权利要求1所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，通过IFFT方法将频域的功率谱密度转换到时域。
6.根据权利要求1所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，流场参数具体包括：圆筒内外流体的密度和流速。
7.根据权利要求1所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，圆筒结构参数包括：圆筒结构的几何尺寸、材料特性、支撑形式以及各阶振型与频率。
8.根据权利要求1所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，所述步骤5还包括：判断人工时程对应的反应谱是否包络目标反应谱，若否则返回步骤4；若是则执行步骤6。
9.根据权利要求1所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，所述步骤6具体为：计算圆筒结构表面各离散区域对应随机湍流激励力时程曲线之间的相干系数，并对各组随机湍流激励力时程之间的相干性进行验证，判断是否满足相关性要求，若满足则执行步骤7，若不满足则返回步骤4。
10.根据权利要求1所述的圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，其特征在于，所述步骤3具体为：基于圆筒结构的空间相关函数利用公式1-公式3计算得到作用在圆筒结构表面的随机湍流激励力功率谱密度：
其中，f*＝f×D/U，ΦF(f*)为随机湍流激励力功率谱密度函数，k为调节系数，U为流体速度，D为特征尺度，ρ为流体密度，Ψ(f*)为形函数，A为脉动压力作用面积，ΦF(f)为离散区域的激励力功率谱密度，ΦP(f)为脉动压力功率谱密度，是与频率相关的项。
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