一种压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法

本发明属于核电，尤其涉及一种压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法。

背景技术：

1、核能作为一种新型的清洁能源，在当下能源需求巨大的背景下，充分有效安全地利用核能对人类的生产生活有着非常重要和积极的意义。燃料组件作为核反应堆中最为核心的部件，起到了容纳反应物的重要作用。其安全性是保证堆整体安全的重要前提。但是在正常运行或事故工况中，燃料组件的磨损和破坏都严重影响核反应堆的安全运行。为了在设计阶段充分考虑燃料组件的特性，通过相关结构的设计以提高燃料组件的安全冗余，对燃料组件的结构动力学特性研究是十分必要的。

2、建立燃料组件的精确动力学模型在燃料组件安全设计领域是非常重要的。精确的动力学模型可以用于模拟燃料组件在反应堆在运行工况和事故工况下的结构动力学响应。一方面可以检验燃料组件在不同工况下的安全性，另一方面可以用于计算燃料组件的局部磨损问题，对优化结构特性，增加使用寿命有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，用于模拟和预测燃料组件的动力学特性。

2、为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，包括以下步骤：

3、s1、对压水堆燃料组件结构的运动特征地进行分析，得到格架在未滑移和正在滑移时的边界条件；

4、s2、利用欧拉-伯努利梁模型进行建模，得到格架的控制方程；

5、s3、利用格架在未滑移和正在滑移时的边界条件，对格架的控制方程进行求解，得到格架一端对导向管的弯矩；

6、s4、根据格架一端对导向管的弯矩，利用欧拉-伯努利梁模型构建导向管的动力学方程；

7、s5、根据导向管的动力学方程，利用模态叠加法得到第一离散的线性方程组；

8、s6、根据第一离散的线性方程组，计算得到压水堆燃料组件的准静态加载响应；

9、s7、对压水堆燃料组件的动力学方程进行离散处理，得到第二离散的线性方程组；

10、s8、对第二离散的线性方程组进行求解，得到压水堆燃料组件的动力学响应，完成对压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算。

11、进一步地，所述步骤s1中格架在未滑移时的边界条件的表达式如下：

12、

13、所述格架正在滑移时的边界条件的表达式如下：

14、

15、we＝-ksfs

16、

17、

18、

19、

20、其中，δθgt表示格架一端边界的转角的增量，fsmax表示最大静摩擦，wg表示垂直于格架轴向的位移，xg表示沿格架轴向的坐标，lg表示格架的宽度，ws表示格架沿着燃料棒轴向的滑移位移，we表示燃料棒的轴向变形量，wf表示垂直于燃料棒轴向的位移，xf表示沿着燃料棒轴向的坐标，af表示燃料棒的横截面积，δθ表示燃料棒与格架的相对转角，θgt表示格架一端的旋转角度，wgt表示导向管的横向位移，xgt表示沿导向管轴向的坐标，agt表示导向管的长度系数，lgt表示导向管的长度，θg表示格架另一端的旋转角度，θf表示燃料棒的旋转角度，ks表示格架边界等效刚度的倒数，fs表示燃料棒对格架提供摩擦力，kf表示燃料棒等效轴向刚度，kgt表示导向管等效轴向刚度，ef表示燃料棒的弹性模量，af表示燃料棒的横截面积，egt表示导向管的弹性模量，agt表示导向管的横截面积，lf表示燃料棒的长度，mg表示燃料棒对格架提供的弯矩，if表示燃料棒的截面惯性矩，km表示格架与燃料棒之间相对的旋转刚度。

21、再进一步地，所述格架的控制方程的表达式如下：

22、

23、其中，eg表示格架的弹性模量，ig表示格架的截面惯性矩，wg表示垂直于格架轴向的位移，xg表示沿格架轴向的坐标，mg表示燃料棒对格架提供的弯矩，fs表示燃料棒对格架提供摩擦力，lg表示格架的长度。

24、再进一步地，所述格架一端对导向管的弯矩的表达式如下：

25、

26、其中，mgt表示作用在导向管上的弯矩与局部转角的关系，θgt表示格架一端的旋转角度，δθgt表示格架一端的边界转角的变化，ws表示格架沿着燃料棒轴向的滑移位移，mg表示燃料棒对格架提供的弯矩，fs表示燃料棒对格架提供摩擦力，lg表示格架的长度。

27、再进一步地，所述导向管的动力学方程的表达式如下：

28、

29、其中，xgt表示沿导向管轴向的坐标，egt表示导向管的弹性模量，lgt表示导向管的长度，wgt表示垂直于导向管轴向的位移，m和m(xgt)均表示分布力偶，该分布力偶为导向管的弯矩关于xgt的导数，p表示分布力。

30、再进一步地，所述第一离散的线性方程组的表达式如下：

31、kq＝f

32、其中，k表示离散后的刚度矩阵，q表示离散变量，f表示离散后的外力向量。

33、再进一步地，所述压水堆燃料组件的动力学方程的表达式如下：

34、

35、

36、

37、

38、其中，ρ表示密度，xgt表示沿导向管轴向的坐标，wgt表示垂直于导向管轴向的位移，t表示时刻，egt表示导向管的弹性模量，igt表示导向管的截面惯性矩，m(xgt)表示分布力偶，该分布力偶为导向管的弯矩关于xgt的导数，p表示分布力，ρgt表示导向管材料的密度，agt表示导向管的横截面积，mf表示燃料棒的质量，δ表示狄拉克函数，αgt表示导向管的长度系数，lgt表示导向管的长度，f0表示外激励，ω表示外激励频率。

39、再进一步地，所述第二离散的线性方程的表达式如下：

40、

41、其中，m表示离散后的质量阵，k表示离散后的刚度矩阵，q表示离散变量，表示离散后的外力向量，表示对时间二阶导。

42、本发明的有益效果是：本发明通过获取格架在未滑移和正在滑移时的边界条件，对格架的控制方程进行求解，得到格架一端对导向管的弯矩，再根据该弯矩通过得到第一离散的线性方程组，得到压水堆燃料组件的准静态加载响应，并通过对压水堆燃料组件的动力学方程求解，得到的第二离散的线性方程组，得到压水堆燃料组件的动力学响应。本发明通过上述设计，能有效地模拟和预测燃料组件的动力学特性，本发明可以用于预测燃料组件在反应堆正常运行工况和事故工况下的动力学行为，为功能设计和安全设计提供依据和基础。本发明还可以对燃料组件在振动中产生的局部滑移进行预测，即可以预测燃料组件的磨损情况，也为安全和寿命设计提供了必要的理论基础。

技术特征：

1.一种压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，其特征在于，所述步骤s1中格架在未滑移时的边界条件的表达式如下：

3.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，其特征在于，所述格架的控制方程的表达式如下：

4.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，其特征在于，所述格架一端对导向管的弯矩的表达式如下：

5.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，其特征在于，所述导向管的动力学方程的表达式如下：

6.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，其特征在于，所述第一离散的线性方程组的表达式如下：

7.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，其特征在于，所述压水堆燃料组件的动力学方程的表达式如下：

8.根据权利要求1所述的压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，其特征在于，所述第二离散的线性方程的表达式如下：

技术总结本发明提供了一种压水堆燃料组件非线性动力学特性的计算方法，属于核电技术领域，包括：得到格架在未滑移时和正在滑移时的边界条件；进行建模，得到格架的控制方程；对格架的控制方程进行求解，得到格架一端对导向管的弯矩；构建导向管的动力学方程；利用模态叠加法得到第一离散的线性方程组；计算得到压水堆燃料组件的准静态加载响应；对压水堆燃料组件的动力学方程进行离散处理，得到第二离散的线性方程组；对第二离散的线性方程组进行求解，得到压水堆燃料组件的动力学响应。本发明解决了燃料组件高精度非线性动力学建模的问题。技术研发人员：陈克非,李鹏,杨翊仁受保护的技术使用者：西南交通大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1