反应堆系统遇水下爆炸载荷环境与关键设备陆地冲击试验载荷匹配研究.pdf

第卷增刊原子能科学技术 ，年月 反应堆系统遇水下爆炸载荷环境与关键设备陆地冲击试验载荷匹配研究熊夫睿，张文正，刘帅，袁志豪（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 ）摘要：船用反应堆系统的抗冲击性能是决定核安全的重要设计维度。在核安全审评活动中，对反应堆系统抗冲击的主要关注点有两项：能够表征实际条件下平台遭遇水下爆炸时反应堆系统与设备的冲击设计载荷；抗冲击的设计载荷与根据陆上抗冲击试验载荷的匹配问题。本文从上述两个问题出发，首先建立了反应堆系统遇水下爆炸冲击环境预报的计算手段，开发了基于国产有限元平台的载荷预报程序并进行了缩比模型的试验验证。应用该程序，对某型反应堆系统在考虑舱体、基座、筏架、重型设备耦合作用情况下的冲击载荷传递机理进行了仿真，获得了反应堆系统关键设备接口位置的冲击设计环境。此外，本文建立了中型摆锤冲击机的虚拟试验模型并进行了台架试验验证。应用虚拟试验技术对燃料组件设计试验载荷环境匹配性进行研究，得到了能够匹配燃料组件设计载荷环境下的陆地冲击机试验参数设置。本文所述研究成果统一了核级设备抗冲击设计和试验的载荷环境，为后续产品研制中充分考虑实际条件下的冲击载荷提供了技术支撑。关键词：反应堆系统；水下爆炸；载荷环境；陆地冲击试验；载荷匹配中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：中核集团“青年英才”项目：，（，）：，：）；），：；长期以来，舰艇核动力系统和设备的抗冲击研发存在两大问题：一是平台总体与动力系统之间载荷环境分解不明确，冲击载荷从外场通过舱体结构再传递到系统和设备的规律未彻底认识清楚；二是关键设备的冲击设计与试验考核载荷环境匹配性不明，存在设计评价和考核验收标准“两张皮”的局面。基于上述两个问题，本文应用数值仿真和虚拟试验方法，分别就水下爆炸载荷传递和关键设备陆地冲击试验载荷匹配开展研究。以反应堆系统中最核心的燃料组件为研究对象，基于实际条件下冲击载荷传递规律的仿真，获得燃料组件在堆内安装接口位置的冲击设计环境，作为 型中型冲击机试验参数设置的输入。应用虚拟试验技术，获得匹配燃料组件横向与垂向设计环境的试验参数。冲击载荷环境预测方法双重 渐 进 近 似 方 法（，）是一种预测舰船遭遇水下爆炸动力响应的流固耦合响应的数值计算方法，由 等在 世纪 年代发展，其基本思想是在极高频和极低频分别采用平面波和虚拟质量假设进行逼近，在中频段采用线性过原子能科学技术第 卷渡。为求得在全频段更好的近似结果，通过对流体模态的辐射能分析，提出了二阶双重渐进方法（），该方法考虑了模态频率矩阵，能 够 更 好 提 高 中 频 段 响 应 的 精 度。方法的主要控制方程为：（）（）（珔）（）式（）、（）分别为结构域和流体域的控制方程，其中：、为质量、阻尼和刚度矩阵；下标表征结构域，表征流体域；为流体面元面积对角矩阵；和分别为散射波粒子与结构节点的位移向量；和为流体密度与介质声速；和分别为结构湿表面节点上入射波和散射波压强向量；为流体面元法向量与结构节点列阵间的转换矩阵；为流体模态频率矩阵。载荷环境预报程序与验证基于上述的基本理论，研究团队在国产力学分析平台 上开发了具有前后处理与求解功能的水下爆炸冲击载荷环境预报程序。该程序采用有限元与边界元混合求解、逐个单元交错迭代实现流固耦合界面数据的更新与交换，程序的主要功能和特点如下：）采用半经验半理论与一阶镜面理论模拟水下爆炸入射与反射压力波行为；）具有水下爆炸载荷作用下流固耦合分析能力；）可求解结构湿表面质量阵、面积阵；）可求解结构动响应并圆整冲击环境；）适用于以板、壳、梁、弹簧、集中质量为主要单元类型的模型求解。为验证该程序的仿真准确性，设计了一种考虑舱体、筏架、反应堆设备模拟体的小型试验装置，仿 真模型 与 实物示 于图。模 型 重 ，由个双层浮筏、设备等效体、减振器和基座组成，布置在个 的加肋圆柱壳体内。对该模型进行了冲击因子 和 共 次试验，以获得其内部载荷传递路径上主要节点的动态响应数据。试验布置示于图，试验工况设置列于表。图程序的试验验证模型 图水下爆炸冲击试验布置 表水下爆炸冲击试验工况设置 序号药量 冲击因子 图示出了个典型位置试验与仿真冲击环境的频域与时域对比结果，其中红线为试验结果，黑线蓝线为仿真结果。由图可看出，冲击环境整体趋势吻合较好，频率特征基本一致，验证了所开发程序的预报准确性。应用案例 研究对象介绍某型反应堆系统是一种环绕布置式的压水型反应堆，其一回路系统主要设备（反应堆压力容器、蒸汽发生器、主冷却剂泵、稳压器、主管道增刊熊夫睿等：反应堆系统遇水下爆炸载荷环境与关键设备陆地冲击试验载荷匹配研究 下层筏架右舷垂向；下层筏架左舷横向；模拟压力容器顶部横向图冲击环境的仿真和试验对比 等）均集成布置在个减振、屏蔽、支承功构融合的筏架上。筏架和舱体基座间通过多个金属弹簧大承载隔振器连接，实现各向的弹性连接。为开展此型反应堆系统冲击环境计算，本文建立了如图所示的考虑舱体、基座、筏架、设备的耦合动力分析模型。模型中舱体和基座采用壳单元，筏架采用梁单元，主要设备采用梁和集中质量单元，隔振器采用弹簧单元。其中隔振器采用分段弹簧用以分别模拟弹性部位和刚性限位结构的刚度。图反应堆系统冲击载荷环境仿真模型 反应堆系统存在大量的设备嵌套关系，最核心的燃料组件是位于由围板和上下堆芯板形成的堆芯腔体中，而围板和上下堆芯板又内衬于吊篮组件，吊篮组件又压紧挂置放在压力容器中，压力容器外部又包裹着层屏蔽结构。这种多层级的嵌套关系若在个模型中均体现出来，则计算量相当大。为了厘清载荷从舱体一直到燃料组件的传递机理，本文采用了两个保真度的模型，通过界面载荷传递实现两个模型的数据传递。图所示的模型为低保真度宏观模型，其主要作用在于获得各设备外围接口的载荷环境。进一步地，图示出了反应堆内部载荷传递模型与实物的对应关系，该模型为高保真度模型，能够详细反映内层嵌套设备之间的连接关系。在反应堆压力容器和筏架安装的位置作为载荷传递的接口。这样既可控制计算规模，又可快速得到多个嵌套位置的载荷环境。工况设置与计算结果本文讨论了、三种当量爆源的冲击环境，同时考虑了不同冲击因子作用下反应堆系统和设备关键传力路径上的冲击环境。结合实际条件，爆源方位设置在舱体斜下方 。图示出了 药量爆源、冲击因子下反应堆本体接口位置的冲击环境。图中红色、黑色、绿色线条分别表征纵向、横向、垂向冲击响应谱。图同时对仿真得到的冲击响应谱进行了圆整，得到了冲击设计中常用的三折线谱，即等位移、速度和加速度谱。图示出了承载浮筏和反应堆系统的隔振器轴向方向的冲击环境和圆整后的响应谱，图中黑色线条为所有隔振器的仿真结果，红色为考虑到一定包络性后的隔振器轴向冲击设计环境。图示出了 冲击因子下图所示模型中传力路径上关键位置的冲击设计环境，可看出，弹性支承和浮筏减振对冲击响应谱的衰减十分明显。原子能科学技术第 卷图反应堆内部载荷传递详细动力分析模型 图反应堆本体接口位置冲击环境 进一步地，本文固定爆源当量为 ，研究了不同爆距下冲击环境的影响规律。图示出了隔振器不同冲击因子和冲击响应谱中等速度段的对应关系，可看出隔振器轴向和径向方向均存在冲击因子和等速度谱的线性关系。这为开展对应不同实际情况下隔振器冲击载荷的陆地实现提供了直接输入。图隔振器轴向冲击环境 需要指出的是，现行抗冲击设计与试验规范将垂向、横向、纵向的抗冲击分析与试验当作独立事件处理，未考虑实际条件下载荷存在多分量同时存在的情况。本节的仿真结果由于考虑了斜下方 的工况，因此得到的动力学响应存在个方向的分量。由于堆舱通常位于舯部且载荷较小，本文暂不考虑纵向冲击载荷增刊熊夫睿等：反应堆系统遇水下爆炸载荷环境与关键设备陆地冲击试验载荷匹配研究环境。在后续的设备强度计算和陆地试验载荷匹配中，考虑横向和垂向两个主导分量的同时施加。图 冲击因子 反应堆系统不同位置垂向冲击环境 图不同冲击因子下隔振器冲击响应谱等速度段 燃料组件冲击环境燃料组件是反应堆系统最核心的设备之一。燃料组件在堆内服役中受流体冲刷、冷却剂腐蚀、中子辐照、核反应释热等机理作用，其包壳、格架、管座、弹簧等关键部件的受力复杂且恶劣。在冲击工况下保持燃料组件特别是包壳结构的完整性，是保证反应堆安全的关键所在。从载荷传递关系上说，燃料组件属于嵌套在动力分析模型中最里层的分析对象。为获取燃料组件在堆内安装位置的冲击环境，需首先求解图模型所对应的低保真度模型，获得反应堆本体和筏架接口位置的冲击环境，即图所示的响应谱；进而再通过求解图所示的堆本体详细动力分析模型，获得燃料组件接口位置的冲击环境，以进一步指导燃料组件的强度设计和陆地试验。由于燃料组件、堆内构件、反应堆压力容器存在复杂的嵌套关系，图所示的模型存在大量的接触、间隙、摩擦等非线性因素。因此，不能直接使用图所示的载荷环境进行响应谱分析，应对响应谱首先进行谱转时程操作，进而在高保真模型上开展时程分析。在获得燃料组件在堆内接口响应时程后，再进行时程转谱和响应谱圆整操作，获得三折线谱形式的燃料组件冲击环境。本文参考核电工程地震响应分析的技术要求，对谱转时程的一致性进行了量化要求。同时，为考虑响应谱转时程中相位信息的随机性，在时程分析中采用多时程激励法，即同一个响应谱转出条不同的时程，代入模型计算后取包络的时程进行后续环境提取操作。图 示出了燃料组件管座位置的时程分析结果。图燃料组件管座位置时程响应仿真结果 原子能科学技术第 卷对图 结果进行转响应谱处理，同时基于模态应变能方法对燃料组件在堆内安装频率进行辨识，获得了燃料组件在上下堆芯板位置的各向冲击设计谱，如图 所示。图燃料组件接口位置冲击环境 陆地冲击机及其虚拟实现本文所研究的燃料组件单个约 ，属于抗冲击类设备，按 标准进行抗冲击试验，可应用 中型摆锤型冲击机进行试验考核。现行的抗冲击试验标准并 未 对 被 试 设 备 冲 击 环 境 是 否 与 设计环境匹配进行明确。为此，本节首先建立中型冲击机的虚拟试验模型，为调整试验参数，获得匹配设计环境的陆地试验环境奠定基础。中型冲击机主要对于质量介于 的水面舰船设备进行冲击试验考核，检验舰船设备的抗冲击能力，砧台上的所有负载（含安装架、支架、被试设备）重量不超过 。中型冲击机基本结构如图 所示、主要由摆锤、混凝土基础（含隔振弹簧）、基座、砧台、砧台导向装置、衬轨、支承槽钢等部件组成。结合中型冲击机的基本结构和载荷作用特点，图 示出了反应堆试验过程中载荷传递规律的集中参数动力学模型。影响该模型客观反映试验过程的主要因素有：锤头碰撞砧台的能量损失率、冲击输入载荷、衬轨及支撑槽钢的连接刚度。该模型考虑了砧台限位、负载与支承槽钢接触等非线性因素。图中型冲击机 增刊熊夫睿等：反应堆系统遇水下爆炸载荷环境与关键设备陆地冲击试验载荷匹配研究图 示出了负载为 的某型设备实际冲击考核的试验数据与虚拟试验获得的砧台图中型冲击机虚拟试验模型 动力响应数据。该试验中摆锤高度 ，砧台行程 ，图中红线为虚拟试验数据，蓝线为真实试验数据。仿真数据和试验数据最大加速度误差为 ，且频域范围和吻合较好，验证了虚拟试验模型的准确性。匹配设计载荷的冲击机参数设置在中型冲击机上进行匹配冲击设计载荷的燃料组件抗冲击试验参数确定，其本质是以图 的设计载荷环境作为输入，通过调整图 虚拟试验机的可变参数，通过经过验证的虚拟试验机数值模型，获得燃料组件接口位置的虚拟试验谱，进而和图 的设计谱进行比对，通过迭代调整冲击机相关参数设置最终达到试验环境和设计环境的一致。图 示出了试验参数确定的迭代流程图。图中型冲击机虚拟试验验证 图 所示的迭代流程以目标谱和试验谱的误差作为目标函数，以试验负载（含固定装置）的质量、强度及安装频率作为约束条件，通过不断优化迭代摆锤高度、砧台行程等虚拟试验机可变参数，来实现试验谱向目标谱的逼近。试验谱和目标谱的容差按 标准执行，其对冲击设计谱和试验谱的容差在 频段内的规定如下：）谱值不低于设计谱 ，不高于 ；）从试验谱低于设计谱的频率起，至其一倍频程范围内，试验谱要求与设计谱应至少有个交汇点；）试验谱低于设计谱部分的面积不应超过高于设计谱部分的面积。图 所示的虚拟试验模型为集中参数模型，而图 中所规定的约束条件需要通过建立详细的固定装置和燃料组件耦合有限元模型实现。此外，图 给出了横向和垂向两个方向的冲击环境，这两个方向的环境要在个试验机上同时得到满足。为此，本文参照 中斜向标准安装架的形式，设计了在强度和重量上满足约束条件的斜坡安装架。同时，考虑到燃料组件在反应堆内上部弹性、下部刚性支承安装方式，设计了模拟堆内安装环境的燃料组件支架。支架、斜坡安装架及整个被试装置示意图示于图。原子能科学技术第 卷对支架、安装架和燃料组件在安装频率、固定装置强度、负载质量的约束条件满足均在图 所示的详细模型中完成。图 的强度校核和图 所示的模型通过槽钢上部冲击响应作为输入。这种结合低保真度（图）和高保真度（图）的载荷分配与力学评价方式和 节中所述的载荷传递计算策略一致。支架和安装架参与图 中参数调节的结构设计要素包括：安装架加强筋数目、安装架倾斜角度、安装架面板厚度、支架板梁厚度、支架底部角钢尺寸、模拟上下堆芯板厚度、配重质量等。在获得图 所示意的满足约束条件的支架和安装架结构设计方案后，需通过模态分析辨识出试验装置在竖直方向的主导频率与参与质量，以代入图 模型中的、参数。经图 所示的多目标优化流程和多保真度模型求解后，图 示出了虚拟试验机调参后燃料组件上管座位置横向（径向）垂向（轴向）设计谱与试验谱的比对，可看出，试验谱能够较好贴合设计谱，满足 对谱值容差的规定。图载荷环境匹配的试验参数迭代流程图 图固定装置及被试装置示意图 图燃料组件上管座冲击设计与试验谱匹配 增刊熊夫睿等：反应堆系统遇水下爆炸载荷环境与关键设备陆地冲击试验载荷匹配研究结论针对船用反应堆系统抗冲击在实际载荷环境表征和设计试验载荷环境匹配的两大问题，本文提出了一套融合数值仿真、多保真度建模、虚拟试验、多目标优化等技术的一揽子解决方案。载荷环境数值计算和陆地虚拟冲击试验机均得到了试验验证。本文以某型反应堆燃料组件的抗冲击设计和陆地试验载荷环境为例，给出了考虑实际水下爆炸载荷环境的陆地试验考核的参数确定方法，该方法统一了设备接口位置的载荷设计环境与试验环境。本文所述的方法论可为核动力系统关键设备的抗冲击研发提供直接技术支撑。参考文献：，：，：大连星派科技有限公司 军用设备环境试验方法：冲击试验北京：国防科学技术工业委员会，舰船环境条件要求：机械环境北京：中国标准出版社，潜艇核动力装置设计安全规定第 部分：安全一、二、三级设备和系统力学分析要求北京：国防科学技术工业委员会，：，熊夫睿，叶献辉模态应变能在反应堆及一回路系统动力分析中的应用核动力工程，（）：，（）：（）舰船冲击响应谱北京：海军装备部，原子能科学技术第 卷