CN111929156B - 一种核能设备安全性能的测试方法及系统 - Google Patents

一种核能设备安全性能的测试方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核能设备安全性能的测试方法，包括：获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据，并获取核能设备材料实际情况下的应变能密度和理想弹塑性情况下的应变能密度；根据实际情况下的应变能密度和理想弹塑性情况下的应变能密度构建安全性能测试模型；使用所述安全性能测试模型对核能设备材料的安全性能进行测试。本发明还公开了一种核能设备安全性能的测试系统。本发明一种核能设备安全性能的测试方法及系统，通过材料应变能密度参量与基准应变能密度参量的比值，提出了一种基于材料应力应变确定核能设备力学分析中安全裕量设计参数的方法。该方法可为核能设备设计阶段确定强度力学校核中剩余安全裕量提供指标量化依据。

Description

一种核能设备安全性能的测试方法及系统
技术领域
本发明涉及核能技术领域，具体涉及一种核能设备安全性能的测试方法及系统。
背景技术
材料尤其各向同性金属材料的应力应变数据是工程设备设计阶段力学分析和评价的基础输入。比如：结构件静强度力学校核中材料准静态(即低应变率)应力应变数据，结构件动强度力学校核中材料动态(即高应变率)应力应变数据。在核能设备设计阶段，弹性分析方法在强度力学校核中得到了认可。为保证核能设备留有一定的安全裕量，常通过引入安全系数ny的方法确定许用应力[σ]。核能设备准静态和动强度力学校核中：结合材料屈服应力σy与经验确定的安全系数ny的比值，计算得到许用应力[σ]；然后基于力学计算得到的应力强度结果与许用应力[σ]的比较，分析并获得剩余安全裕量。以材料屈服应力σy与核能设备设计要求的安全系数ny为例来说：许用应力[σ]计算公式如下：
Figure BDA0002585736050000011
其中，σy是材料屈服应力，[σ]是许用应力，ny是安全系数。若以不同的强度指标作为极限应力，则所用的安全系数也就不同，上式中σy为极限应力。
引入安全系数有两个方面的考虑：一方面，强度分析中某些参量(如材料宏观屈服应力和微观屈服应力)本身就存在着主观认识与客观实际间的差异；另一方面，为结构留有必要的强度储备，尤其是面临超设计载荷的情况，为了从强度上保证结构的安全，在强度校核中以安全系数的形式加以补偿。
材料的应力应变数据是一一对应的，因此许用应力[σ]仅对应一个许用应变[∈]。上式采用的安全系数，未能考虑材料应力应变的交互限制作用，而且其确定方法主要依据经验。结构件动态与准静态在强度分析中类似，因为两种环境下仅材料的应力应变数据对应的应变率存在不同。
综上所述，现有核能设备强度力学校核中安全裕量设计参数多依据经验且未能考虑材料应力应变的交互限制作用，其原因是安全系数的确定方法缺少足够理论支撑，进而在应用领域也面临挑战。尤其在基于材料应力应变确定核能设备力学分析中安全裕量设计参数的方法的技术领域未见相关研究成果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有核能设备强度测试校核中安全裕量设计参数多依据经验且未能考虑材料应力应变的交互限制作用，目的在于提供一种核能设备安全性能的测试方法及系统，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种核能设备安全性能的测试方法，包括以下步骤：
S1：获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据，并根据所述应力应变数据获取核能设备材料实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF；
S2：根据实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF构建安全性能测试模型；
S3：使用所述安全性能测试模型对核能设备材料的安全性能进行测试。
在现有技术中，尤其是在核安全技术中，对于设备材料的安全性能评价和设计中使用的许用应力都依赖于经验，例如各种规范对于许用应力相关系数的定义，然而采用经验对许用应力相关系数进行限定未能考虑材料应力应变的相互限制作用，核能设备材料的安全直接影响核电厂运行安全和设备寿命，所以现有的许用应力相关系数的定义方式已经越来越不适用于核能技术领域。
而本发明应用时，首先获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据，测试方法包括但是不限于准静态应力应变测试和动态应力应变测试，测试出来的数据可以形成核能设备材料完整的屈服曲线，这些数据形成的函数可以认为是这种核能设备材料的本构模型。基于这种本构模型就可以获取核能设备材料实际情况下的应变能密度SEDDATA，而同时再通过应力应变数据生成核能设备材料的理想弹塑性模型。
理想弹塑性模型实际上是忽略材料的强化作用，把材料看成一旦屈服就可以无限变形的一种本构模型，通过这个模型可以相对准确的描述出材料在到达屈服点时的应变能状态，此时获取理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF，再根据SEDDATA和SEDREF就可以实现安全性能测试模型的构建，从而完成对核能设备材料的安全性能的测试。本发明通过材料应变能密度参量与基准应变能密度参量的比值，提出了一种基于材料应力应变确定核能设备力学分析中安全裕量设计参数的方法。该方法可为核能设备设计阶段确定强度力学校核中剩余安全裕量提供指标量化依据。
进一步的，步骤S1包括以下子步骤：
S11：根据所述应力应变数据生成应力应变函数；
S12：根据所述应力应变数据获取核能设备材料弹性阶段杨氏模量E和应力应变的最低屈服应力σy，并根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立基准应力应变函数；所述基准应力应变函数为理想弹塑性应力应变函数；
S13：对所述应力应变函数积分获取实际情况下的应变能密度SEDDATA，对所述基准应力应变函数积分获取理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF。
进一步的，所述基准应力应变函数包括沿应变增长依次设置的理想弹性变形函数和理想塑性变形函数；
所述理想弹性变形函数根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立；所述理想塑性变形函数为应变增长时应力保持为最低屈服应力σy的函数。
进一步的，所述应力应变数据为准静态应力应变数据或动态应力应变数据。
进一步的，所述安全性能测试模型采用下式构建：
Figure BDA0002585736050000031
SFSED＝SEDDATA/SEDREF
式中，σy为最低屈服应力，[σ]为许用应力，SFSED为安全裕量设计参数。
一种核能设备安全性能的测试系统，包括：
获取单元：用于获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据；
处理单元：用于根据所述应力应变数据获取核能设备材料实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF；
模型单元：根据实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF构建安全性能测试模型；
测试单元：用于使用所述安全性能测试模型对核能设备材料的安全性能进行测试。
进一步的，所述处理单元根据所述应力应变数据生成应力应变函数；所述处理单元根据所述应力应变数据获取核能设备材料弹性阶段杨氏模量E和应力应变的最低屈服应力σy，并根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立基准应力应变函数；所述基准应力应变函数为理想弹塑性应力应变函数；所述处理单元对所述应力应变函数积分获取实际情况下的应变能密度SEDDATA，对所述基准应力应变函数积分获取理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF。
进一步的，所述基准应力应变函数包括沿应变增长依次设置的理想弹性变形函数和理想塑性变形函数；
所述理想弹性变形函数根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立；所述理想塑性变形函数为应变增长时应力保持为最低屈服应力σy的函数。
进一步的，所述应力应变数据为准静态应力应变数据或动态应力应变数据。
进一步的，所述安全性能测试模型采用下式构建：
Figure BDA0002585736050000041
SFSED＝SEDDATA/SEDREF
式中，σy为最低屈服应力，[σ]为许用应力，SFSED为安全裕量设计参数。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种核能设备安全性能的测试方法及系统，通过材料应变能密度参量与基准应变能密度参量的比值，提出了一种基于材料应力应变确定核能设备力学分析中安全裕量设计参数的方法。该方法可为核能设备设计阶段确定强度力学校核中剩余安全裕量提供指标量化依据。
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为本发明方法步骤示意图；
图2为本发明实施例中核能设备蒸汽发生器材料18MND5在-100℃下的应力应变数据；
图3为本发明实施例中核能设备蒸汽发生器材料18MND5在-100℃下的基准应力应变数据；
图4为本发明实施例中核能设备蒸汽发生器材料18MND5在-100℃下的应力应变数据积分；
图5为本发明实施例中核能设备蒸汽发生器材料18MND5在-100℃下的基准应力应变数据积分。
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
如图1所示，本发明一种核能设备安全性能的测试方法，包括以下步骤：
S1：获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据，并根据所述应力应变数据获取核能设备材料实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF；
S2：根据实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF构建安全性能测试模型；
S3：使用所述安全性能测试模型对核能设备材料的安全性能进行测试。
本实施例实施时，首先获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据，测试方法包括但是不限于准静态应力应变测试和动态应力应变测试，测试出来的数据可以形成核能设备材料完整的屈服曲线，这些数据形成的函数可以认为是这种核能设备材料的本构模型。基于这种本构模型就可以获取核能设备材料实际情况下的应变能密度SEDDATA，而同时再通过应力应变数据生成核能设备材料的理想弹塑性模型。
理想弹塑性模型实际上是忽略材料的强化作用，把材料看成一旦屈服就可以无限变形的一种本构模型，通过这个模型可以相对准确的描述出材料在到达屈服点时的应变能状态，此时获取理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF，再根据SEDDATA和SEDREF就可以实现安全性能测试模型的构建，从而完成对核能设备材料的安全性能的测试。本发明通过材料应变能密度参量与基准应变能密度参量的比值，提出了一种基于材料应力应变确定核能设备力学分析中安全裕量设计参数的方法。该方法可为核能设备设计阶段确定强度力学校核中剩余安全裕量提供指标量化依据。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，步骤S1包括以下子步骤：
S11：根据所述应力应变数据生成应力应变函数；
S12：根据所述应力应变数据获取核能设备材料弹性阶段杨氏模量E和应力应变的最低屈服应力σy，并根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立基准应力应变函数；所述基准应力应变函数为理想弹塑性应力应变函数；
S13：对所述应力应变函数积分获取实际情况下的应变能密度SEDDATA，对所述基准应力应变函数积分获取理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述基准应力应变函数包括沿应变增长依次设置的理想弹性变形函数和理想塑性变形函数；
所述理想弹性变形函数根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立；所述理想塑性变形函数为应变增长时应力保持为最低屈服应力σy的函数。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述应力应变数据为准静态应力应变数据或动态应力应变数据。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述安全性能测试模型采用下式构建：
Figure BDA0002585736050000061
SFSED＝SEDDATA/SEDREF
式中，σy为最低屈服应力，[σ]为许用应力，SFSED为安全裕量设计参数。
本实施例一种核能设备安全性能的测试系统，包括：
获取单元：用于获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据；
处理单元：用于根据所述应力应变数据获取核能设备材料实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF；
模型单元：根据实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF构建安全性能测试模型；
测试单元：用于使用所述安全性能测试模型对核能设备材料的安全性能进行测试。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述处理单元根据所述应力应变数据生成应力应变函数；所述处理单元根据所述应力应变数据获取核能设备材料弹性阶段杨氏模量E和应力应变的最低屈服应力σy，并根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立基准应力应变函数；所述基准应力应变函数为理想弹塑性应力应变函数；所述处理单元对所述应力应变函数积分获取实际情况下的应变能密度SEDDATA，对所述基准应力应变函数积分获取理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述基准应力应变函数包括沿应变增长依次设置的理想弹性变形函数和理想塑性变形函数；
所述理想弹性变形函数根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立；所述理想塑性变形函数为应变增长时应力保持为最低屈服应力σy的函数。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述应力应变数据为准静态应力应变数据或动态应力应变数据。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述安全性能测试模型采用下式构建：
Figure BDA0002585736050000062
SFSED＝SEDDATA/SEDREF
式中，σy为最低屈服应力，[σ]为许用应力，SFSED为安全裕量设计参数。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，如图2～5所示，本实施例中，需要已知的参数包括：材料应力应变数据。
示例中以核能设备蒸汽发生器材料18MND5在-100℃下的应力应变数据为例，详细的实施过程如下：
1.进入S10，通过准静态拉伸实验测试并采集某材料(核能设备蒸汽发生器材料18MND5)在某温度(-100℃)下的应力应变数据，并将测试数据绘制成曲线；
2.进入S20，基于S10数据确定材料弹性阶段杨氏模量E和应力应变的最低屈服应力σy值共两个参数，之后构建测试材料(核能设备蒸汽发生器材料18MND5)对应测试温度(-100℃)下的基准应力应变数据，并将对应数据绘制成曲线；
3.进入S30，利用Matlab软件的trapz函数得到S10数据围成面积的参数SEDDATA(SEDDATA＝1.1315×104MPa)；
4.进入S40，利用Matlab软件的trapz函数得到S20数据围成面积的参数SEDREF(SEDREF＝0.43631×104MPa)；
5.进入S50，结合S30和S40得到的参数SEDDATA和参数SEDREF，通过参数SEDDATA与参数SEDREF的比值确定为表征强度力学校核中安全裕量的指标量化设计参数SFSED(SFSED＝1.1315×104MPa/0.43631×104MPa＝2.5934)。
6.进入S60，基于S50得到的安全裕量设计参数SFSED，计算获得许用应力
Figure BDA0002585736050000071
([σ]＝240.1MPa)。
利用Matlab软件分别计算S10数据和S20数据所围面积参数SEDDATA和参数SEDREF，通过参数SEDDATA与参数SEDREF的比值确定为表征强度力学校核中安全裕量的指标量化设计参数SFSED。
本实施例公开了一种基于材料应力应变确定核能设备力学分析中安全裕量设计参数的方法。结合材料应力应变(如准静态应力应变和动态应力应变)和依此构建的材料基准应力应变，利用数值积分技术获得对应应力应变所围成面积参数，之后利用面积SEDDATA与SEDREF的比值确定为表征强度力学校核中安全裕量的指标量化设计参数SFSED。所提出的方法为核能设备选取安全裕量设计参数提供了技术支撑，为核能设备剩余安全裕量提供了指标量化依据，可更好的服务于核能设备的强度力学校核分析和评价。
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)

1.一种核能设备安全性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据，并根据所述应力应变数据获取核能设备材料实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF；
S2：根据实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF构建安全性能测试模型；
S3：使用所述安全性能测试模型对核能设备材料的安全性能进行测试；
步骤S1包括以下子步骤：
S11：根据所述应力应变数据生成应力应变函数；
S12：根据所述应力应变数据获取核能设备材料弹性阶段杨氏模量E和应力应变的最低屈服应力σy，并根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立基准应力应变函数；所述基准应力应变函数为理想弹塑性应力应变函数；
S13：对所述应力应变函数积分获取实际情况下的应变能密度SEDDATA，对所述基准应力应变函数积分获取理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF；
所述基准应力应变函数包括沿应变增长依次设置的理想弹性变形函数和理想塑性变形函数；
所述理想弹性变形函数根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立；所述理想塑性变形函数为应变增长时应力保持为最低屈服应力σy的函数；
所述安全性能测试模型采用下式构建：
Figure FDA0003584002440000011
SFSED＝SEDDATA/SEDREF
式中，σy为最低屈服应力，[σ]为许用应力，SFSED为安全裕量设计参数。
2.根据权利要求1所述的一种核能设备安全性能的测试方法，其特征在于，所述应力应变数据为准静态应力应变数据或动态应力应变数据。
3.一种核能设备安全性能的测试系统，其特征在于，包括：
获取单元：用于获取核能设备材料在预设温度下的应力应变数据；
处理单元：用于根据所述应力应变数据获取核能设备材料实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF；
模型单元：根据实际情况下的应变能密度SEDDATA和理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF构建安全性能测试模型；
测试单元：用于使用所述安全性能测试模型对核能设备材料的安全性能进行测试；
所述处理单元根据所述应力应变数据生成应力应变函数；所述处理单元根据所述应力应变数据获取核能设备材料弹性阶段杨氏模量E和应力应变的最低屈服应力σy，并根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立基准应力应变函数；所述基准应力应变函数为理想弹塑性应力应变函数；所述处理单元对所述应力应变函数积分获取实际情况下的应变能密度SEDDATA，对所述基准应力应变函数积分获取理想弹塑性情况下的应变能密度SEDREF；
所述基准应力应变函数包括沿应变增长依次设置的理想弹性变形函数和理想塑性变形函数；
所述理想弹性变形函数根据所述弹性阶段杨氏模量E和所述最低屈服应力σy建立；所述理想塑性变形函数为应变增长时应力保持为最低屈服应力σy的函数；
所述安全性能测试模型采用下式构建：
Figure FDA0003584002440000021
SFSED＝SEDDATA/SEDREF
式中，σy为最低屈服应力，[σ]为许用应力，SFSED为安全裕量设计参数。
4.根据权利要求3所述的一种核能设备安全性能的测试系统，其特征在于，所述应力应变数据为准静态应力应变数据或动态应力应变数据。
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