CN116525015A - 一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法 - Google Patents

一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，方法包括以下步骤：对核装置进行初始几何建模；对建模设置材料属性；根据初始模型创建分析步；对创建分析步后的核装置反应性模型设置接触属性；基于设置接触属性后的核装置反应性模型设置载荷；对设置载荷后的核装置反应性模型划分网格；对划分网格后的核装置反应模型进行计算，得到计算结果。本申请提高了核装置进行冲击动力学分析的效率，且运算分析完之后的结果处理方便。

Description

一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法
技术领域
本申请属于核安全分析技术领域，具体涉及一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法。
背景技术
在核工程发展过程中，评估核装置在冲击动力学中的反应性变化是核安全分析中一个重要的领域。核装置在受到冲击过后，结构会发生变化，结构变化导致反应性变化，这个过程可以分为冲击动力学计算和中子学计算。两个计算采用的软件不同，不同的软件采用的文件格式不同，因此需要一个技术方案将两者的结果进行传递。目前，美国的桑迪亚国家实验室(SNL)提出了一个技术方案，首先利用有限元仿真分析软件Presto分析核装置受冲击的过程，然后利用桑迪亚国家实验室(SNL)和威斯康星大学(WISC)合作开发的DAGMC(直接加速几何蒙特卡罗)程序，对变形后的堆芯进行中子学计算。这一技术方案对小型空间堆做了很好的模拟，但也存在一些不足。(1)涉及的软件没有对国内用户开放。包括PRESTO、sphgen3d、algebra、Cubit。(2)操作不方便，需要手动调用到很多软件。包括PRESTO、Cubit、sphgen3d、Fortran、DAGMC、algebra。(3)在冲击力学中不方便设置光滑粒子流体动力学(SPH)单元。需要将流体网格用sphgen3d程序处理，并且需要Fortran程序处理网格边界重合的问题。在研究冲击动力学对核装置安全的影响中，包括两个技术，分别是冲击动力学计算和中子学计算。对于冲击动力学计算，可以用有限元分析软件模拟，目前已经有很多成熟的软件可以实现，包括但不限于ABAQUS、ANAYS、COMSOL。对于核装置在受冲击之后的中子学计算，可以由蒙特卡罗软件进行计算，包括但不限于MCNP、RMC、OpenMC。在研究过程中，要解决以下几个问题。(1)如何对核装置进行冲击动力学模拟，为中子学计算提供形变模型。在冲击动力学计算中，需要考虑坠落的角度、材料的属性、流体网格的设置。(2)如何在中子学计算中，对变形堆芯的建模。传统的蒙特卡罗软件是通过输入文件的方式进行建模，这种方法效率低，容易出错，而且无法针对变形的、不规则的结构建模。(3)如何对限元分析软件和蒙特卡罗软件的结果进行传递。两个软件的输入输出文件采用不同的格式，在耦合过程中需要对文件的格式进行转换。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，包括：
S1、对核装置进行初始几何建模，得到初始几何模型；
S2、对所述初始几何模型设置材料属性；
S3、根据所述初始几何模型创建分析步；
S4、基于设置材料属性与创建分析步后的所述初始几何模型设置接触属性与约束条件；
S5、基于设置接触属性与约束条件后的初始几何模型设置载荷，对设置载荷后的所述初始几何模型划分网格；
S6、对划分网格后的所述初始几何模型进行有限元力学计算，得到核装置几何变形后的网格文件；
S7、将所述网格文件转换为中子学模型；
S8、将所述中子学模型进行中子学计算，得到核装置几何变形引起的反应性变化。
可选的，所述材料属性包括材料密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、塑性应变。
可选的，所述接触属性包括切向行为和法向行为：
所述切向行为用于定义接触表面之间的摩擦公式；
所述法向行为用于设置接触面上压力与穿透的关系。
可选的，所述约束条件用于将模型中两个面牢固的粘结，分析过程中不再分开。
可选的，所述载荷包括设置边界条件和物理场设置。
可选的，对设置载荷后的所述初始几何模型划分网格的过程包括：
将固体几何模型直接划分为网格；
对液体几何模型采用光滑粒子流体动力学进行划分，得到划分单元。
可选的，得到核装置几何变形后的网格文件的过程包括：
划分网格后，在ABAQUS中创建一个模型，在Module模型中的Part模块导入力学仿真的结果问价，选择需要导入的相应时间点下的变形模型；
在Module模型中组装变形模型；
在ABAQUS的任务模块中，导出变形模型inp格式的网格文件；
若模型的部件多，将部件按照材料进行分类，分别导出inp格式的网格文件。
可选的，将所述网格文件转换为中子学模型的过程包括：
在Trelis程序中导入生成的变形后组件的网格文件；
若组件在空间上连续则直接导出为STL文件；
若组件在空间上不连续，则利用布尔运算进行合并体积后导出为STL文件；
对STL文件赋予不同的材料属性；
将STL文件合并，转换为中子学模型。
可选的，将所述中子学模型进行中子学计算的过程包括：
对所述中子学模型和更新的材料密度进行中子学计算，得到反应性变化。
可选的，所述更新的材料密度获取方法包括：
首先在Trelis程序中导入生成的网格文件；
对部件按照材料进行分类；
对相同材料的部件利用布尔运算进行合并，在程序的模式里依次选择几何、布尔运算、合并体积、选中部件后进行部件体积合并；
将合并好的部件进行导出，转换为STL文件；
用Trelis程序自带的功能计算体积；根据体积的变化，通过密度公式求得密度的变化。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
(1)公开了ABAQUS的网格文件转换为蒙特卡罗程序可读取的h5m文件的一个流程。
(2)提高了核装置受热膨胀和受动力学冲击后反应性计算的效率。
(3)操作过程中涉及的程序少，并且都对国内用户开放。
(4)操作方便并且计算效率高，不许需要手动调用很多软件。
(5)在冲击动力学中方便将流体网格设置为光滑粒子流体动力学(SPH)单元。
(6)运算分析完之后的结果后处理方便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法方法步骤图；
图2为本申请实施例一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法实施例中对热膨胀引起的反应性变化计算方法的方法步骤图；
图3为本申请实施例一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法实施例动力学冲击引起的反应性变化计算方法的方法步骤图；
图4为本申请实施例一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法实施例的燃料棒截面图；
图5为本申请实施例一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法实施例的圆柱小堆截面图；
图6为本申请实施例一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法C3D8R网格图；
图7为本申请实施例一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法有限元FEM转换为表面模型FBM的转换图；
图8为本申请实施例一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法中H5m文件到中子学计算的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
在本实施例中，如图1所示，一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，具体包括：
S1、对核装置进行初始几何建模，得到初始几何模型；
S2、对初始几何模型设置材料属性；材料属性包括材料密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、塑性应变。
接触属性包括切向行为和法向行为；切向行为用于定义接触表面之间的摩擦公式；
法向行为用于设置接触面上压力与穿透的关系。
S3、根据初始几何模型创建分析步；
S4、基于设置材料属性与创建分析步后的初始几何模型设置接触属性与约束条件；约束条件用于将模型中两个面牢固的粘结，分析过程中不再分开。
S5、基于设置接触属性与约束条件后的初始几何模型设置载荷，对设置载荷后的初始几何模型划分网格；载荷包括设置边界条件和物理场设置。
对设置载荷后的初始几何模型划分网格的过程包括：
将固体几何模型直接划分为网格；
对液体几何模型采用光滑粒子流体动力学进行划分，得到划分单元。
S6、对划分网格后的初始几何模型进行有限元力学计算，得到核装置几何变形后的网格文件；可选的，得到核装置几何变形后的网格文件的过程包括：
划分网格后，在ABAQUS中创建一个模型，在Module模型中的Part模块导入力学仿真的结果问价，选择需要导入的相应时间点下的变形模型；
在Module模型中组装变形模型；
在ABAQUS的任务模块中，导出变形模型inp格式的网格文件；
若模型的部件多，将部件按照材料进行分类，分别导出inp格式的网格文件。
S7、将网格文件转换为中子学模型；网格文件转换为中子学模型的过程包括：
在Trelis程序中导入生成的变形后组件的网格文件；
若组件在空间上连续则直接导出为STL文件；
若组件在空间上不连续，则利用布尔运算进行合并体积后导出为STL文件；
对STL文件赋予不同的材料属性；
将STL文件合并，转换为中子学模型。
S8、将中子学模型进行中子学计算，得到核装置几何变形引起的反应性变化。
中子学模型进行中子学计算的过程包括：
对中子学模型和更新的材料密度进行中子学计算，得到反应性变化。
更新的材料密度获取方法包括：
首先在Trelis程序中导入生成的网格文件；
对部件按照材料进行分类；
对相同材料的部件利用布尔运算进行合并，在程序的模式里依次选择几何、布尔运算、合并体积、选中部件后进行部件体积合并；
将合并好的部件进行导出，转换为STL文件；
用Trelis程序自带的功能计算体积；根据体积的变化，通过密度公式求得密度的变化。
实施例二
在核装置的燃料棒热膨胀引起的反应性变化实施例中，流程图如图2所示，具体包括：
对核装置的燃料棒热膨胀分析进行初始几何建模。燃料棒模型如图4所示，确定长度单位为“cm”，在ABAQUS的part模块中绘制模型，半径为0.1cm，高度为38cm；
对燃料棒建模设置材料属性，将热膨胀初始模型与材料属性进行组合，得到热膨胀模型。材料二氧化铀热导率2W/(m·K)、弹性模量为219GPa、泊松比0.345、膨胀系数1e-5、密度为18.9g/cm3、比热容330J/(kg·K)；
对燃料棒热膨胀模型创建分析步。对热膨胀模型选择耦合温度位移分析(coupledtemp-displacement)，设置热膨胀分析的总时间18000s，设置时间初始增量步1s为和温度增量步为15K；
对燃料棒热膨胀模型设置接触属性。设置热膨胀模型的环境温度1000K；
对热膨胀模型设置载荷。设置热膨胀模型的边界条件与物理场设置，热膨胀的物理场设置为核装置的初始温度，将核装置的初始温度设置为300K；
对燃料棒受热膨胀模型划分网格。采用的网格单元如图6所示。设置热膨胀模型的单元类型为耦合温度位移单元；
进行热膨胀计算，得到计算结果。
将上述两种几何变形计算的结果传递给中子学计算软件进行中子学计算，具体步骤包括：
将几何变形计算的结果导出为网格(inp)文件。
(1)首先在ABAQUS中创建一个模型(moddel)，选择导入力学仿真的结果文件(odb文件)，选择需要导入的相应时间点下的部件；
(2)在part模块下将每个部件按照材料进行组装，在assembly模块下形成组件；
(3)根据组装后的组件，在job模块中创建任务，导出变形后的组件的inp文件。
将inp文件转化为光固化立体造型(STL)文件，并计算核装置几何变形后的密度变化，用于更新中子学计算中的材料密度。具体包括：(1)在Trelis程序中导入生成的变形后的组件的inp文件；(2)若是组件在空间上连续则直接导出为STL文件；(3)若是组件空间上不连续，则利用布尔运算进行合并体积后再导出为STL文件，若是不这么做则会导不出完整的组件。具体包括在程序的模式里依次选择几何、布尔运算、合并体积、选中组件后进行体积合并；(4)用Trelis程序自带的功能计算变形几何体的体积，根据体积的变化，通过密度公式求得密度的变化，求密度的目的是为了更新中子学计算中材料的密度。
将STL文件转化为dagmc.h5m文件(一种蒙卡软件可以识别的文件)，然后进行中子学计算。具体包括：
(1)基于MOAB的Python工具包PyMOAB，对STL文件转换为OpenMC等蒙卡程序可读取的dagmc.h5m文件。
(2)通过Python脚本，把STL文件转换为dagmc.h5m文件，步骤如下：1)将各个材料对应的STL文件和graveyard.stl文件一起添加到转换程序中。2)Graveyard.stl文件是OpenMC运行所必须的文件。该文件用于定义边界条件。中子进入graveyard后，结束输运历史。3)graveyard空间由两个同心正方体之间的闭合空间组成。4)在脚本文件中，STL文件与材料编号一一对应，利用Python转换程序生成dagmc.h5m文件。
(3)OpenMC对dagmc.h5m文件进行中子学计算。中子学计算的流程图如图8所示。
实施例三
在核装置动力学冲击引起的反应性变化实施例中，如图3所示，具体包括：
核装置在瞬态下堆芯的动力学冲击引起的反应性变化计算方法包括：
对核装置动力学冲击进行初始几何建模。确定采用的单位制为cm，确定核装置的结构尺寸，core半径为35，reflector半径为45，barrel半径为50，堆芯高度为100，绘制模型草图；
对建模设置材料属性，将核装置动力学冲击初始模型与材料属性进行组合，得到核装置动力学冲击模型。确定材料属性，材料密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、塑性应变；
对核装置动力学冲击模型创建分析步。选择显示动力学分析，设置动力学冲击分析的时间为0.003s；
对核装置动力学冲击模型设置接触属性。设置接触属性，包括切向行为和法向行为：切向行为用于定义接触表面之间的摩擦公式；法向行为用于设置接触面上压力与穿透的关系。然后设置约束条件，将core、reflector、barrel组装固定起来；
对核装置动力学冲击模型设置载荷。对圆柱小堆撞击的地面设置固定边界条件，对圆柱小堆设置速度场，速度为240m/s，方向与地面的夹角为30度；
所述圆柱小堆的截面图如图5所示。
对核装置动力学冲击模型划分网格单元。采用的网格单元如图6所示。其特征在于设置单元类型，对于固体单元设置为显式为三维应力单元；
最后进行冲击动力学计算，得到计算结果。
将上述两种几何变形计算的结果传递给中子学计算软件进行中子学计算，具体步骤包括：
将受几何变形计算的结果导出为网格(inp)文件。
(1)首先在ABAQUS中创建一个模型(moddel)，选择导入力学仿真的结果文件(odb文件)，选择需要导入的相应时间点下的部件；
(2)在part模块下将每个部件按照材料进行组装，在assembly模块下形成组件；
(3)根据组装后的组件，在job模块中创建任务，导出变形后的组件的inp文件。
将inp文件转化为光固化立体造型(STL)文件，并计算核装置几何变形后的密度变化，用于更新中子学计算中的材料密度。具体包括：
(1)在Trelis程序中导入生成的变形后的组件的inp文件；
(2)若是组件在空间上连续则直接导出为STL文件；
(3)若是组件空间上不连续，则利用布尔运算进行合并体积后再导出为STL文件，若是不这么做则会导不出完整的组件。具体包括在程序的模式里依次选择几何、布尔运算、合并体积、选中组件后进行体积合并；
(3)用Trelis程序自带的功能计算圆柱小堆体积，根据体积的变化，通过密度公式求得密度的变化，求密度的目的是为了更新中子学计算中材料的密度。
将STL文件转化为dagmc.h5m文件(一种蒙卡软件可以识别的文件)，然后进行中子学计算。具体包括：
(1)基于MOAB的Python工具包PyMOAB，对STL文件转换为OpenMC等蒙卡程序可读取的dagmc.h5m文件。
(2)通过Python脚本，把STL文件转换为dagmc.h5m文件，步骤如下：1)将各个材料对应的STL文件和graveyard.stl文件一起添加到转换程序中。2)Graveyard.stl文件是OpenMC运行所必须的文件。该文件用于定义边界条件。中子进入graveyard后，结束输运历史。3)graveyard空间由两个同心正方体之间的闭合空间组成。4)在脚本文件中，STL文件与材料编号一一对应，利用Python转换程序生成dagmc.h5m文件。
(3)OpenMC对dagmc.h5m文件进行中子学计算。中子学计算的流程图如图8所示。
OpenMC对变形后的模型进行中子学计算。中子学计算的流程图如图8所示。
对于有限元程序来说，是将所需的计算的模型划分成一个一个的网格，然后计算这些网格节点上的受力和位移情况，但是对于流体来水，这种方式不能很好的模拟，因为流体和固体是不一样的，在碰撞的过程中，会有水花，为了更好的模拟流体，本申请采用了光滑粒子流体动力学，采用该方法划分的单元成为光滑粒子流体动力学单元。转换图如图7所示。在传统的方法中，sph单元得用shpgen3d来转换，但是传统方法需采用两个软件，一个绘制固体模型，一个绘制流体。而根据本申请的方法sph单元和固体结构单元都只需要使用ABAQUS来绘制。减少使用软件的数量，使操作更加方便，适用性也更强。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，包括：
S1、对核装置进行初始几何建模，得到初始几何模型；
S2、对所述初始几何模型设置材料属性；
S3、根据所述初始几何模型创建分析步；
S4、基于设置材料属性与创建分析步后的所述初始几何模型设置接触属性与约束条件；
S5、基于设置接触属性与约束条件后的初始几何模型设置载荷，对设置载荷后的所述初始几何模型划分网格；
S6、对划分网格后的所述初始几何模型进行有限元力学计算，得到核装置几何变形后的网格文件；
S7、将所述网格文件转换为中子学模型；
S8、将所述中子学模型进行中子学计算，得到核装置几何变形引起的反应性变化。
2.根据权利要求1所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，所述材料属性包括材料密度、弹性模量、泊松比、屈服应力、塑性应变。
3.根据权利要求1所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，所述接触属性包括切向行为和法向行为：
所述切向行为用于定义接触表面之间的摩擦公式；
所述法向行为用于设置接触面上压力与穿透的关系。
4.根据权利要求1所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，所述约束条件用于将模型中两个面牢固的粘结，分析过程中不再分开。
5.根据权利要求1所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，所述载荷包括设置边界条件和物理场设置。
6.根据权利要求1所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，对设置载荷后的所述初始几何模型划分网格的过程包括：
将固体几何模型直接划分为网格；
对液体几何模型采用光滑粒子流体动力学进行划分，得到划分单元。
7.根据权利要求6所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，得到核装置几何变形后的网格文件的过程包括：
划分网格后，在ABAQUS中创建一个模型，在Module模型中的Part模块导入力学仿真的结果问价，选择需要导入的相应时间点下的变形模型；
在Module模型中组装变形模型；
在ABAQUS的任务模块中，导出变形模型inp格式的网格文件；
若模型的部件多，将部件按照材料进行分类，分别导出inp格式的网格文件。
8.根据权利要求7所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，将所述网格文件转换为中子学模型的过程包括：
在Trelis程序中导入生成的变形后组件的网格文件；
若组件在空间上连续则直接导出为STL文件；
若组件在空间上不连续，则利用布尔运算进行合并体积后导出为STL文件；
对STL文件赋予不同的材料属性；
将STL文件合并，转换为中子学模型。
9.根据权利要求8所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，将所述中子学模型进行中子学计算的过程包括：
对所述中子学模型和更新的材料密度进行中子学计算，得到反应性变化。
10.根据权利要求9所述的核装置几何变形引起的反应性变化计算方法，其特征在于，所述更新的材料密度获取方法包括：
首先在Trelis程序中导入生成的网格文件；
对部件按照材料进行分类；
对相同材料的部件利用布尔运算进行合并，在程序的模式里依次选择几何、布尔运算、合并体积、选中部件后进行部件体积合并；
将合并好的部件进行导出，转换为STL文件；
用Trelis程序自带的功能计算体积；根据体积的变化，通过密度公式求得密度的变化。
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