CN112231957B - 一种适用于不连续区域的结构断裂评估处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于不连续区域的结构断裂评估处理方法，方法包括以下步骤：S1、基于待评估的不连续区域的材料特性和几何特性，利用计算机建立有限元分析模型，并作数值仿真分析，获得不连续区域应力计算影响函数；S2、对待评估的不连续区域进行缺陷的类型及其形状参数的规则化处理，以确定缺陷位置沿壁厚方向分布的应力特性，再计算裂纹前沿断裂参量；S3、将步骤S2中裂纹前沿断裂参量的计算结果与行业评估标准中的评价准则进行比较，进行结构弹塑性断裂评价。本发明实现了工程快速、精确评价的技术需求，相关技术可应用于核电厂关键设备的在线安全监测和具有相关的快速评估技术需求的情况中。
Description
技术领域
本发明涉及核电厂设备的在线安全监测领域，尤其涉及一种适用于不连续区域的结构断裂评估处理方法。
背景技术
反应堆压力容器(Reactor Pressure Vessel，以下简称RPV)、蒸气发生器等核电厂关键部件是核安全一级部件，在服役过程中，由于受到劣化的影响，同时在制造、安装、服役过程中又会不可避免的出现缺陷，这些因素都将对核电厂的安全运行产生严重的影响。同时，在这些部位的结构不连续区域存在明显的应力集中，因此，需要对关键设备的结构不连续区域的可靠性做出精确的评定。
目前，核电厂设计和在役评估规范中主要给出结构连续区域的安全评价方法，对于反应堆压力容器(RPV)、蒸气发生器等设备的结构不连续区域通常需要建立复杂的有限元模型，对瞬态载荷进行应力场和裂纹前沿的断裂参量计算。通常，建立结构不连续区域的有限元模型，特别时含缺陷的有限元模型，不仅耗时，而且对相关技术人员的专业知识要求也高，不利于工程化的应用。
基于影响函数法的应力场响应计算技术已得到了广泛的发展，目前主要应用于热冲击载荷作用下结构的应力响应特性的分析(避免了热-机械耦合的复杂计算过程)，相关技术的评估精度已满足工程化的技术需求。对于结构连续区域，基于影响因子和应力分布特性可以快速计算出裂纹前沿的断裂参量(避免了建立含缺陷有限元模型的分析过程)。但是，反应堆压力容器(RPV)、蒸气发生器等结构不连续区域的断裂安全评估中需要参考核电领域的通用技术规范要求，如何将影响函数法计算结构应力、影响因子计算结构断裂参量和核电厂关键设备的断裂安全评价相互结合应用是一个技术难点。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种适用于不连续区域的结构断裂评估处理方法，本发明基于影响函数快速计算结构不连续区域的应力特性，并采用影响因子方法计算裂纹前沿的断裂参量，进行结构不连续区域的断裂快速评估，实现了工程快速、精确评价的技术需求，相关技术可应用于核电厂关键设备的在线安全监测和具有相关的快速评估技术需求的情况中。技术方案如下：
提供了一种适用于不连续区域的结构断裂评估处理方法，包括以下步骤：
S1、基于待评估的不连续区域的材料特性和几何特性，利用计算机建立有限元分析模型，并对所述有限元模型进行数值仿真分析，获得不连续区域应力计算影响函数；
S2、对所述待评估的不连续区域进行缺陷的类型及其形状参数的规则化处理，以确定缺陷位置，并获得所述缺陷位置沿壁厚方向分布的应力特性，再基于步骤S1中的影响函数计算裂纹前沿断裂参量；
S3、将步骤S2中所述裂纹前沿断裂参量的计算结果与行业评估标准中的评价准则进行比较，若所述计算结果不满足所述评价准则，则所述计算机获取所述待评估的不连续区域的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息。
进一步地，所述材料特性包括材料的导热系数、热膨胀系数、比热容、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度中的一种或多种参数随温度的变化关系；所述几何特性至少包含至不连续区域的边界距离，所述边界距离通过以下公式计算：
其中，R为不连续区域的内径，d为不连续区域的壁厚。
进一步地，所述不连续区域应力计算影响函数的计算公式如下：
其中，σ(P,t)为任意冲击载荷作用时刻t(s)、任意位置P的应力场数据，F0(P)为影响函数的稳态部分，φ(t)为t时刻的局部温度，Tref为参考温度，/>为标准化的影响函数，γ为积分时间，为曲线/>在积分时间间隔t-τi+1与t-τi之间的积分面积；
对所述应力计算影响函数进行线性叠加，得到以下公式：
其中，n为分段线性函数个数，G0(P)为F0(P)的线性叠加函数，φ(t)为t时刻的局部温度，Tref为参考温度，为/>的线性叠加的积分面积，/>通过以下公式计算：
其中，φ(τi)为τi时刻的局部温度，φ(τi+1)为τi+1时刻的局部温度。
进一步地，所述应力计算影响函数计算任意冲击载荷作用时刻t(s)、任意位置P的应力场数据时，所述时间间隔取值范围为1～5s。
进一步地，步骤S2中所述缺陷的类型及其形状参数的规则化处理是指根据无损检测确定评估时的裂纹信息，所述裂纹信息包含缺陷位置、缺陷深度、缺陷形状信息。
进一步地，步骤S1中所述有限元分析模型在不连续区域壁厚方向的有限元单元数量为至少8个；
所述缺陷位置沿壁厚方向分布的应力特性是根据所述不连续区域应力计算影响函数计算不连续区域壁厚方向上至少8个有限元单元位置的应力变化过程，并将每个时刻的应力变化过程依据以下方程拟合得到应力分析特性曲线：
其中，A0、A2和A3为拟合系数，x为壁厚方向上的拟合数值，a为壁厚尺寸。
进一步地，步骤S2中计算裂纹前沿断裂参量的公式如下：
其中，KI是应力强度因子， C0、C1、C2和C3为影响系数。
进一步地，影响系数C0、C1、C2和C3分别为0.723、0.551、0.462和0.408。
进一步地，步骤S3中所述行业评估标准中的评价准则为KI≤KIC/SF，其中，KI是作为裂纹前沿断裂参量的应力强度因子，KIC是材料的断裂韧性，SF为安全系数。
进一步地，步骤S1中所述应力计算影响函数是指基于输入数据建立的结构在单元载荷冲击作用下的响应特征曲线，所述响应特征曲线包含结构的材料特性、几何特性和载荷特性数据。
本发明具有下列优点：
a.核电设备上不连续区域在发生不满足行业评估标准中的评价准则的情况下，及时提醒负责人作出处理，实现在线安全监测；
b.影响函数快速计算结构不连续区域的应力特性，提高了基于有限元模型计算结构应力的效率；
c.提供了采用影响因子方法计算裂纹前沿的断裂参量方法，为核电厂典型设备结构不连续区域的断裂安全评价提供了依据，避免了建立含缺陷有限元模型的技术需求；
d.提供了工程快速化和精确的结构不连续区域断裂快速评估方法，从而保障了核电厂关键设备的安全运行性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的结构断裂评估方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的管嘴位置分析的有限元模型示例图；
图3为本发明实施例提供的单元参考瞬变影响函数示意图；
图4为本发明实施例提供的结构不连续区(管嘴)的裂纹规则化示意图；
图5为本发明实施例提供的分析案例的示例有限元模型；
图6为本发明实施例提供的分析案例某时刻的应力分布示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本发明的一个实施例中，提供了一种适用于不连续区域的结构断裂评估处理方法，所述结构断裂评估处理包括以下步骤：
S1、基于待评估的不连续区域的材料特性和几何特性，利用计算机建立有限元分析模型，并对所述有限元模型进行数值仿真分析，获得不连续区域应力计算影响函数；
S2、对所述待评估的不连续区域进行缺陷的类型及其形状参数的规则化处理，以确定缺陷位置，并获得所述缺陷位置沿壁厚方向分布的应力特性，再基于步骤S1中的影响函数计算裂纹前沿断裂参量；
S3、将步骤S2中所述裂纹前沿断裂参量的计算结果与行业评估标准中的评价准则进行比较，若所述计算结果不满足所述评价准则，则所述计算机获取所述待评估的不连续区域的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息。
本发明涉及一种适用于不连续区域的结构断裂评估处理方法，针对核电厂主要设备(如反应堆压力容器(RPV)、蒸气发生器等)结构不连续区域的断裂安全评价，为核电关键设备的安全评定提供准确的技术依据。如图1所示，评估包括以下步骤：
a)建立不连续区域应力计算影响函数；
a.1)基于不连续区域的材料和几何特性，建立有限元分析模型；
a.2)数值仿真分析获得不连续区域应力快速计算影响函数；
b)基于影响系数计算裂纹前沿断裂参量；
b.1)基于相关行业评估标准(如核电厂设计规范RCC-M)，进行缺陷的类型及其形状参数的规则化处理；
b.2)获得缺陷位置沿壁厚方向分布的应力特性；
b.3)计算裂纹前沿断裂参量；
c)基于相关行业评估标准中评价准则，进行结构弹塑性断裂评价。
下面，对上述各个步骤进行详细说明：
步骤a.1)中，所述材料特性包括材料的导热系数、热膨胀系数、比热容、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度，所述材料特性包含各参数随温度的变化关系；所述几何特性应至少包含至不连续区域边界距离(R为不连续区域的内径(单位为 mm)，d为不连续区域的壁厚(单位为mm))位置，在本实施例中，某管嘴的有限元模型如图2所示；所述有限元分析模型应保证任何位置不连续区域壁厚方向的有限元单元数量不少于8个。
步骤a.2)中，所述应力快速计算影响函数是指基于步骤a.1)中的输入数据建立的结构在单元载荷冲击作用下的响应特征曲线(如附图3所示)，为本发明实施例管嘴的应力响应特性曲线，响应特征曲线包含结构的材料特性、几何特性和载荷特性数据。
步骤(a.2)中，所述应力快速计算影响函数可通过其线性叠加得到任意冲击载荷作用时刻t(s)、任意位置P的应力场数据σ(P,t)(单位为MPa)，具体计算方法如公式(1) 所示：
式中，F0(P)为影响函数的稳态部分，单位为MPa；
td为影响函数的衰减时间，单位为s；
Tref为参考温度，单位为℃；
φ(t)为t时刻的局部温度，单位为℃；
γ为积分时间；
为标准化的影响函数，单位为MPa；
为曲线/>在积分时间间隔t-τi+1和t-τi之间的积分面积；
对所述应力计算影响函数进行线性叠加，得到以下公式：
式中，n为分段线性函数个数，G0(P)为F0(P)的线性叠加函数，φ(t)为t时刻的局部温度，Tref为参考温度，为/>的线性叠加的积分面积；
其中，按公式(3)计算：
式中，φ(τi)为τi时刻的局部温度，φ(τi+1)为τi+1时刻的局部温度。
步骤a.2)中，所述应力快速计算影响函数计算任意冲击载荷作用时刻t、任意位置P的应力场数据是时间间隔取为1～5s。
步骤b.1)中，基于相关行业评估标准(如核电厂设计规范RCC-M)，所述缺陷的类型及其形状参数的规则化处理是指根据无损检测或相关行业规范确定评估时的裂纹尺寸信息，包含缺陷位置、缺陷深度、缺陷形状等信息(某管嘴结构不连续区域的缺陷规则化结构如附图4所示)。将缺陷表征为周向或轴向的裂纹，缺陷内表面径向向外延伸的最远距离表示裂纹的深度a，t为容器的壁厚，某管嘴结构不连续区域的缺陷规则化结果如图4所示。
步骤b.2)中，所述缺陷位置沿壁厚方向分布的应力特性是指依据方程(1)计算不连续区壁厚方向上8个位置的应力变化过程，将没个时刻的应力变化过程依据如下方程(4)拟合获得应力分析不特特性曲线：
其中，A0、A2和A3为拟合系数，x为壁厚方向上的拟合数值(单位为mm)，a为壁厚尺寸(单位为mm)。
步骤b.3)中，所述计算裂纹前沿断裂参量是指依据如下方程(5)进行计算：
其中，KI是应力强度因子，单位为C0、C1、C2和C3为影响系数，本发明中附图3中的影响系数为0.723、0.551、0.462和0.408。
步骤c)中，所述的相关行业评估标准中评价准则是指特定的断裂安全评价方法，依据 RCC-M等特性的核设备设计或在役安全评价准则，进行指定结构的断裂安全评价，本发明中的安全评价准则如下公式(6)所示：
KI≤KIC/SF (6)
其中，KI是作为裂纹前沿断裂参量的应力强度因子，KIC是材料的断裂韧性(单位为)，本发明中取为/>SF达到为安全系数，本发明中取值为1.0～2.0。
在本发明的一个应用实施例中，RPV堆芯区域内径Ri＝1994.5mm、筒体壁厚t＝200mm、堆焊层厚tc＝7.5mm。此处给出某RPV进口管嘴工况下的断裂安全评价的分析过程。某工况下，RPV内压载荷为15.5MPa，在正常运行状态下(350℃)迅速冷却至室温20℃。
(1)确定不连续区域涉及的材料及其性能
RPV进口管嘴设计堆芯段母材16MND5和堆焊层316L材料，依据2007版核岛关键设备设计规范RCC-M，选取相关材料性能性能参数，包括材料的导热系数、热膨胀系数、比热容、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度，所述材料特性包含各参数随温度的变化关系。
(2)建立确定不连续区域的有限元模型
如图5所示，依据ABAQUS软件建立RPV进口管嘴的有限元分析模型，有限元分析模型应保证任何位置不连续区域壁厚方向的有限元单元数量不少于8个。
(3)建立应力快速计算影响函数
建立的结构在单元载荷冲击作用下的响应特征曲线，形式如图3(右侧部分图)所示。
(4)结构任意时刻的应力场计算
依据方程(1)，计算获得结构任意时刻的应力场分析分布，分析案例某时刻的应力场分布如图6所示。
(5)评估位置缺陷规则化
RPV进口管嘴结构不连续区域的缺陷规则化结果如图4所示。
(6)缺陷位置结构应力分布特性拟合分析
依据方程(4)拟合获得应力不同时刻缺陷位置的应力分布特性参数A0、A2和A3。
(7)裂纹前沿断裂参量计算
依据方程(5)计算的断裂评估参量，某时刻的裂纹前沿断裂参量计算结果为
其中，KI是应力强度因子，
C0、C1、C2和C3为影响系数，本发明附图3中的影响系数为0.723、0.551、0.462和0.408。
(8)结构断裂安全评价
依据安全评价准则，如公式(6)所示，
KI≤KIC/SF (6)
其中，KIC是材料的断裂韧性本发明中取为/>SF达到安全系数，本发明中取值为2.0。因此，评价结果为结构是安全可靠的，不会发生断裂失效。
不定时或每间隔设定的时间对不连续区域的结构断裂情况作出评估，假设应力强度因子KI不满足所述评价准则，则所述计算机可以通过传感器或GPS定位装置获取所述待评估的不连续区域的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息，包括但不限于短信、电话、App消息形式，以提示相应的负责人对不连续区域的结构断裂情况进行预处理，实现在线安全监测；或者在现场布置与待检测的设备一一对应的报警灯装置，若评价结果为结构是安全可靠的，则控制所述报警灯装置显示绿色，若评价结果为不符合安全评价准则，则控制所述报警灯装置显示红色。
本发明基于影响函数快速计算结构不连续区域的应力特性，并采用影响因子方法计算裂纹前沿的断裂参量，进行结构不连续区域的断裂快速评估，实现了工程快速、精确评价的技术需求，相关技术可应用于核电厂关键设备的在线安全监测和具有相关的快速评估技术需求的情况中。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，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，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 (8)
1.一种适用于不连续区域的结构断裂评估处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于待评估的不连续区域的材料特性和几何特性，利用计算机建立有限元分析模型，并对所述有限元模型进行数值仿真分析，获得不连续区域应力计算影响函数；所述不连续区域应力计算影响函数的计算公式如下：
其中，σ(P,t)为任意冲击载荷作用时刻t、任意位置P的应力场数据，F0(P)为影响函数的稳态部分，φ(t)为t时刻的局部温度，Tref为参考温度，/>为标准化的影响函数，γ为积分时间，/>为曲线/>在积分时间间隔t-τi+1与t-τi之间的积分面积；
对所述应力计算影响函数进行线性叠加，得到以下公式：
其中，n为分段线性函数个数，G0(P)为F0(P)的线性叠加函数，φ(t)为t时刻的局部温度，Tref为参考温度，为/>的线性叠加的积分面积，/>通过以下公式计算：
其中，φ(τi)为τi时刻的局部温度，φ(τi+1)为τi+1时刻的局部温度；
S2、对所述待评估的不连续区域进行缺陷的类型及其形状参数的规则化处理，以确定缺陷位置，并获得所述缺陷位置沿壁厚方向分布的应力特性，并将每个时刻的应力变化过程依据以下方程拟合得到应力分析特性曲线：其中，A0、A2和A3为拟合系数，x为壁厚方向上的拟合数值，a为壁厚尺寸；
再基于步骤S1中的影响函数计算裂纹前沿断裂参量；计算裂纹前沿断裂参量的公式如下：其中，KI是应力强度因子，C0、C1、C2和C3为影响系数；
S3、将步骤S2中所述裂纹前沿断裂参量的计算结果与行业评估标准中的评价准则进行比较，若所述计算结果不满足所述评价准则，则所述计算机获取所述待评估的不连续区域的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息。
2.根据权利要求1所述的结构断裂评估处理方法，其特征在于，所述材料特性包括材料的导热系数、热膨胀系数、比热容、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度中的一种或多种参数随温度的变化关系；所述几何特性至少包含至不连续区域的边界距离，所述边界距离通过以下公式计算：
其中，R为不连续区域的内径，d为不连续区域的壁厚。
3.根据权利要求1所述的结构断裂评估处理方法，其特征在于，所述应力计算影响函数计算任意冲击载荷作用时刻t、任意位置P的应力场数据时，所述时间间隔取值范围为1～5s。
4.根据权利要求1所述的结构断裂评估处理方法，其特征在于，步骤S2中所述缺陷的类型及其形状参数的规则化处理是指根据无损检测确定评估时的裂纹信息，所述裂纹信息包含缺陷位置、缺陷深度、缺陷形状信息。
5.根据权利要求1所述的结构断裂评估处理方法，其特征在于，步骤S1中所述有限元分析模型在不连续区域壁厚方向的有限元单元数量为至少8个；
所述缺陷位置沿壁厚方向分布的应力特性是根据所述不连续区域应力计算影响函数计算不连续区域壁厚方向上至少8个有限元单元位置的应力变化过程。
6.根据权利要求1所述的结构断裂评估处理方法，其特征在于，影响系数C0、C1、C2和C3分别为0.723、0.551、0.462和0.408。
7.根据权利要求1所述的结构断裂评估处理方法，其特征在于，步骤S3中所述行业评估标准中的评价准则为KI≤KIC/SF，其中，KI是作为裂纹前沿断裂参量的应力强度因子，KIC是材料的断裂韧性，SF为安全系数。
8.根据权利要求1所述的结构断裂评估处理方法，其特征在于，步骤S1中所述应力计算影响函数是指基于输入数据建立的结构在单元载荷冲击作用下的响应特征曲线，所述响应特征曲线包含结构的材料特性、几何特性和载荷特性数据。
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