CN111709144B - 一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法，所述压紧弹簧总体为空心圆环，圆环截面为Z形，在轴向总压力的作用下，Z形的圆环截面扭转变形，圆环向外翻转；且设定在圆环与上部堆内构件和下部堆内构件的接触面上无水平方向摩擦力，则以圆环的整体轴向单位变形需要的力作为压紧弹簧的刚度K。本发明提供的计算方法可根据压紧弹簧的各尺寸参数，快速计算出压紧弹簧的刚度，且为满足刚度需要提供了快速调整不同尺寸参数的方法，确保设计的压紧弹簧结构的合理性和有效性。该方法具有计算简单，精度高的特点。

Description

一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法
技术领域
本发明涉及弹簧性能评价技术领域，具体涉及一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法。
背景技术
对于反应堆，其堆内构件由上部堆内构件、压紧弹簧、下部堆内构件等组成，而压紧弹簧一方面通过预紧力压紧下部堆内构件，当高流速的冷却剂带走下部堆内构件中核反应产生的大量热量时，避免冷却剂流动导致下部堆内结构悬浮而大幅振动；另一方面，堆内构件的装配过程、以及从冷态到热态的热膨胀时，压紧弹簧允许少量变形而维持整个堆内构件的装配协调性。
在核动力技术开发过程中，为评价设计的反应堆压紧弹簧的合理性和有效性，避免影响反应堆的长期安全运行，需要计算压紧弹簧的刚度。目前，大多采用有限元建模的方法计算压紧弹簧的刚度，但费时费力。
因此，结合科研生产的需求，为了满足反应堆压紧弹簧刚度快速计算的要求，需要研究出一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法，可以快速计算出复杂变形的压紧弹簧的刚度，且根据计算公式中各参数对刚度的影响，调整参数，快速满足设计刚度，节省了设计的时间。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法，所述压紧弹簧总体为空心圆环，圆环截面为Z形，在轴向总压力的作用下，Z形的圆环截面扭转变形，圆环向外翻转；且设定在圆环与上部堆内构件和下部堆内构件的接触面上无水平方向摩擦力，则以圆环的整体轴向单位变形需要的力作为压紧弹簧的刚度K。
进一步优选，所述压紧弹簧的刚度K计算公式如式(1)所示：
Figure BDA0002547425860000011
其中，
Figure BDA0002547425860000012
其中，
Figure BDA0002547425860000013
为压紧弹簧环内径，
Figure BDA0002547425860000014
为压紧弹簧外径，H1为压紧弹簧截面的平面高，H2为压紧弹簧带椭圆面的总高，E为压紧弹簧材料的弹性模量，b为压紧弹簧两个椭圆面中心线宽，c为压紧弹簧椭圆面宽。
压紧弹簧的刚度K计算公式推导原理如下所示：
压紧弹簧总体为空心圆环，圆环截面为Z形，在轴向总压力的作用下，Z形的圆环截面扭转变形，圆环向外翻转；且设定在圆环与上部堆内构件和下部堆内构件的接触面上无水平方向摩擦力。则圆环截面的转角θ如式(2)所示：
Figure BDA0002547425860000021
其中，Ix为绕圆环截面中性面的惯性矩，
Figure BDA0002547425860000022
进一步，Ix计算公式如下式(3)所示：
Figure BDA0002547425860000023
对于Z形弹簧截面，最大垂直变形量δ为截面扭转角θ乘以压紧弹簧两个椭圆面中心线宽b，如式(4)所示：
Figure BDA0002547425860000024
则可获得压紧弹簧刚度K，如下所示：
Figure BDA0002547425860000025
一种压紧弹簧的设计方法，包括以下步骤：
S1.采用上述的一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法获得压紧弹簧的刚度K；
S2.将计算获得的刚度值和设计要求刚度值进行对比，判断是否满足要求；
进一步优选，若将计算获得的刚度值不符合设计要求刚度值，且根据压紧弹簧刚度的计算公式中各参数对刚度的影响，调整相应参数，实现对弹簧刚度的调整和优化以满足压紧弹簧设计刚度值。
进一步优选，设定固定参数，所述固定参数包括压紧弹簧外径、压紧弹簧内径、压紧弹簧带椭圆面的总高；通过调整变量参数实现弹簧刚度的调整和优化，所述变量参数包括压紧弹簧截面的平面高。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明针对结构变形特殊的压紧弹簧，根据结构尺寸和变形方式推导了刚度计算公式；本发明提供的计算方法和有限元模型计算结果吻合，但相比有限元计算方法简单而快速，具有创造性和实用性；为反应堆堆内用压紧弹簧的刚度计算提供了快速计算的可行性。
2、本发明的目的在于研究一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法，在压紧弹簧设计阶段快速计算刚度，确定影响刚度的各尺寸参数，优化和固化压紧弹簧设计，判断设计合理性和可靠性，节省设计时间和成本。
3、本发明的压紧弹簧刚度的计算方法可用于反应堆压力容器内压紧弹簧刚度的快速计算，进一步可以计算堆内构件的振动特性，并判断压紧弹簧设计的合理性和有效性。本计算方法推广对象为核电厂反应堆堆内构件设计及科研单位等。
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。在附图中：
图1为压紧弹簧整体结构示意图；
图2为压紧弹簧局部结构示意图；
图3为压紧弹簧截面结构尺寸参数定义标定结构示意图；
图4为压紧弹簧的实际安装状态示意图；
图5为压紧弹簧截面有限元计算模型。
附图中标记及对应的零部件名称：1-椭圆面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法，是依据压紧弹簧的结构尺寸和变形方式获得刚度计算公式。
对于压紧弹簧的整体结构：压紧弹簧总体为空心圆环，圆环截面为Z形，如图1所示；
对于压紧弹簧的变形方式：在轴向总压力的作用下，Z形的圆环截面扭转变形，从圆环整体来看圆环向外翻转；且设定在圆环与上部堆内构件和下部堆内构件的接触面上无水平方向摩擦力，即圆环上下的两个椭圆面分别与上部堆内构件和下部堆内构件的接触面上无水平方向摩擦力，则以圆环的整体轴向单位变形需要的力作为压紧弹簧的刚度K，如下所示：
Figure BDA0002547425860000031
其中，
Figure BDA0002547425860000032
其中，P为压紧弹簧环的上部受到垂直方向总压力，
Figure BDA0002547425860000033
为压紧弹簧环内径，
Figure BDA0002547425860000034
为压紧弹簧外径，H1为压紧弹簧截面的平面高，H2为压紧弹簧带椭圆面的总高，E为压紧弹簧材料的弹性模量，b为压紧弹簧两个椭圆面中心线宽，c为压紧弹簧椭圆面宽。
通过直接测量或设计图获得上述参数：压紧弹簧环内径
Figure BDA0002547425860000035
压紧弹簧外径
Figure BDA0002547425860000036
压紧弹簧截面的平面高H1、压紧弹簧带椭圆面的总高H2、压紧弹簧椭圆面宽c、压紧弹簧两个椭圆面中心线宽b，通过这些参数代入上述公式可直接计算获得当前压紧弹簧的刚度值。
实施例2
本实施例提供了一种压紧弹簧的设计方法，具体步骤如下所示：
S1.对于设计好的压紧弹簧，采用实施例1提供的一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法获得压紧弹簧的刚度K；
S2.将计算获得的刚度值K和设计要求刚度值进行对比，判断是否满足要求；
S3.若将计算获得的刚度值不符合设计要求刚度值，且根据压紧弹簧刚度的计算公式中各参数对刚度的影响，调整相应参数，实现对弹簧刚度的调整和优化以满足压紧弹簧设计刚度值。一般情况下，压紧弹簧的外径
Figure BDA0002547425860000041
内径
Figure BDA0002547425860000042
是根据堆内构件直径确定，不可调整；环截面总高H2也基本不可调整，可通过调整压紧弹簧的平面H1，实现弹簧刚度的调整和优化，满足设计要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法，所述压紧弹簧总体为空心圆环，圆环截面为Z形，其特征在于，在轴向总压力的作用下，Z形的圆环截面扭转变形，圆环向外翻转；且设定在圆环与上部堆内构件和下部堆内构件的接触面上无水平方向摩擦力，则以圆环的整体轴向单位变形需要的力作为压紧弹簧的刚度K；
所述压紧弹簧的刚度K计算公式如式(1)所示：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_2
其中，
Figure QLYQS_3
为压紧弹簧环内径，
Figure QLYQS_4
为压紧弹簧外径，H1为压紧弹簧截面的平面高，H2为压紧弹簧带椭圆面的总高，E为压紧弹簧材料的弹性模量，b为压紧弹簧两个椭圆面中心线宽，c为压紧弹簧椭圆面宽；
所述压紧弹簧的刚度K计算公式由以下推导过程获得：
压紧弹簧总体为空心圆环，圆环截面为Z形，在轴向总压力的作用下，Z形的圆环截面扭转变形，圆环向外翻转；且设定在圆环与上部堆内构件和下部堆内构件的接触面上无水平方向摩擦力，则圆环截面的转角θ如式(2)所示：
Figure QLYQS_5
其中，Ix为绕圆环截面中性面的惯性矩，
Figure QLYQS_6
进一步，Ix计算公式如下式(3)所示：
Figure QLYQS_7
对于Z形弹簧截面，最大垂直变形量δ为截面扭转角θ乘以压紧弹簧两个椭圆面中心线宽b，如式(4)所示：
Figure QLYQS_8
则获得压紧弹簧刚度K，如下所示：
Figure QLYQS_9
2.一种压紧弹簧的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采用权利要求1所述的一种用于计算压紧弹簧刚度的计算方法获得压紧弹簧的刚度K；
S2.将计算获得的刚度值和设计要求刚度值进行对比，判断是否满足要求。
3.根据权利要求2所述的一种压紧弹簧的设计方法，其特征在于，若将计算获得的刚度值不符合设计要求刚度值，且根据压紧弹簧刚度的计算公式中各参数对刚度的影响，调整相应参数，实现对弹簧刚度的调整和优化以满足压紧弹簧设计刚度值。
4.根据权利要求3所述的一种压紧弹簧的设计方法，其特征在于，设定固定参数，所述固定参数包括压紧弹簧外径、压紧弹簧内径、压紧弹簧带椭圆面的总高；通过调整变量参数实现弹簧刚度的调整和优化，所述变量参数包括压紧弹簧截面的平面高。
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