用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法
【專利摘要】本發明涉及一種安全殼結構計算方法，尤其涉及一種用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法。本發明采用瞬態熱分析的方法，對模型網格尺寸進行優化，準確的反映了結構的溫度梯度變化過程，通過綜合考慮各種因素，選取了典型時刻得到計算結果，在保證準確模擬溫度梯度作用前提下，大大減少了計算單元的數量，減少了計算量。
【專利說明】用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種安全殼結構計算方法，尤其涉及一種用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法。
【背景技術】
[0002]安全殼是核電廠核島廠房中的重要構筑物，其內部布置有反應堆等重要系統。安全殼是核安全的第三道屏障，其功能是在發生核安全事故(如失水事故)時包容泄出的放射性物質，并使釋放到周圍大氣的放射性劑量水平限制在容許范圍之內的功能。
[0003]對于國內二代及二代加壓水堆核電廠，根據現行設計規范，在進行安全殼結構設計中，考慮了建造、正常運行、異常運行、極端環境等荷載作用和荷載組合，并未考慮超設計基準的嚴重事故荷載作用及荷載組合。
[0004]隨著對核電廠安全要求的日益提高，核電設計標準也隨之提高，要求在設計中考慮超設計基準事故荷載作用及其荷載組合。如NS-G-1.10《核動力廠反應堆安全殼系統的設計》6.2節規定，“除了設計基準事故載荷組合之外還應考慮嚴重事故的載荷組合”。這里所說的嚴重事故主要包括兩種荷載作用，即長期高溫、內壓，設計中應考慮這兩種荷載作用的組合。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對核電廠安全殼承受長期高溫和內壓的情況，提供一種可用于安全殼結構設計的分析和計算方法。
[0006]本發明的技術方案如下:一種用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，包括如下步驟:
[0007](I)將溫度時程曲線和環境溫度作為輸入，計算安全殼標準截面各個時刻的溫度梯度；
[0008](2)根據溫度和壓力的輸入時程曲線以及安全殼標準截面各個時刻的溫度梯度，選取若干合適的計算時刻，所述的計算時刻為輸出計算結果的時刻；
[0009](3)對步驟(I)中安全殼標準截面計算模型的截面網格進行優化，整個截面采用由內側到外側網格尺寸逐漸變大的網格劃分方式；
[0010](4)針對優化后的安全殼截面網格劃分方式，進行整體模型溫度梯度計算，得到步驟(2)中確定的各個計算時刻整體模型的溫度分布，并得到計算時刻的截面平均溫度；
[0011](5)將步驟(4)中的整個安全殼的溫度梯度分析有限元模型轉化為應力分析有限元模型，在應力分析有限元模型中，將步驟(4)中得到的各個計算時刻的整個安全殼的溫度梯度作為荷載讀入，計算得到各個計算時刻的溫度應力；
[0012](6)采用步驟(5)用到的應力分析有限元模型，施加內壓荷載，得到整個安全殼的應力計算結果。
[0013]進一步，如上所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，步驟(1)中采用通用有限元軟件的熱分析單元建立安全殼標準截面的三維有限元模型，三維有限元模型采用長方體，沿安全殼厚度方向，模型的網格采用均勻劃分；溫度時程曲線作為安全殼內表面的計算輸入，環境溫度作為安全殼外表面的計算輸入，通過通用有限元軟件進行瞬態熱分析計算，計算中分多個荷載步在安全殼的內外表面施加不同時刻的溫度荷載，計算結果為整個時間歷程標準截面的溫度分布。
[0014]進一步，如上所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，步驟(2)中選取的計算時刻為溫度或壓力時程曲線上顯著變化時刻，以及由截面溫度推導得到的最大彎矩時刻。
[0015]進一步，如上所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，步驟(3)中，初步確定幾種漸變的網格尺寸方案，分別得到計算時刻的標準截面溫度分布，并與步驟(1)中的計算結果進行比較，在保證精度的前提下，選出一種能夠模擬出各個計算時刻的截面溫度分布的網格數量最少的網格尺寸方案。
[0016]進一步，如上所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，步驟(5)中根據步驟(4)中得到截面平均溫度，對混凝土彈性模量進行折減。
[0017]進一步，如上所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，步驟出)中采用折減后的混凝土彈性模量進行計算，安全殼的內壓選擇最大值作為荷載輸入，其他時刻的壓力荷載作用的結構應力由最大內壓對應時刻的結構應力乘以小于1的系數得到。
[0018]本發明提供的長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構的計算方法具有如下優點:第一，采用了瞬態熱分析的方法，準確的反映了結構的溫度梯度變化過程；第二，綜合考慮各種因素，選取了典型時刻得到計算結果；第三，計算中考慮了高溫對混凝土材料特性的影響，依據相關設計規范對彈性模量進行了折減；第四，在保證準確模擬溫度梯度作用前提下，對模型網格尺寸進行優化，大大減少了計算單元的數量，減少了計算量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為標準截面計算采用的網格，其中內側有高溫作用。
[0020]圖2為截面溫度分布示意圖；左側為安全殼外側，右側為安全殼內側(受高溫作用)；橫軸為到安全殼外側的距離，縱軸為溫度；圖中每條曲線均代表某時刻的截面溫度分布。
[0021]圖3為優化后的標準截面的網格，其中內側有高溫作用。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的介紹。
[0023]1.標準截面溫度梯度計算
[0024]通常情況下，嚴重事故工況持續時間較長(如10天)。相應的安全殼內的溫度和壓力荷載作用會在整個時間歷程中持續作用。另外，溫度和壓力的數值不是恒定的，而是隨時間不斷變化。
[0025]整個時間歷程中的標準截面溫度梯度，可以采用通用有限元軟件(如ANSYS)進行瞬態熱分析計算得到。
[0026]采用熱分析單元(如S0LID90)建立安全殼截面的三維有限元模型。
[0027]三維有限元模型可采用長方體，有限元模型在X方向的范圍為O至L，Y方向的范圍為O至W，Z方向的范圍為O至H。選擇模型的X = O和X = L兩個面分別作為安全殼的內外表面，即截面厚度為L。
[0028]沿安全殼厚度方向，模型網格采用均勻的劃分，并采用較小的網格尺寸，如圖1所
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[0029]混凝土的導熱系數和比熱容可根據《GB50010-2010混凝土結構設計規范》4.1.8節取值，安全殼內外表面的換熱系數可以根據相關的熱工設計規范取值。
[0030]安全殼內表面的計算輸入是由工藝專業確定的溫度時程曲線，外表面的設計輸入是環境溫度。根據輸入溫度的變化情況，計算中分多個荷載步在安全殼的內外表面施加不同時刻的溫度荷載。
[0031]計算結果為整個時間歷程標準截面的溫度分布。
[0032]2.計算時刻的選取
[0033]本發明中所述的“計算時刻”是指輸出計算結果的時刻。由于有限元瞬態熱分析會得到整個時間歷程的截面溫度分布(如圖2所示)，需要選擇某些典型時刻輸出計算結果。
[0034]計算時刻的選取需要考慮多種因素，主要根據溫度和壓力的輸入時程曲線變化情況以及標準截面各個時刻的溫度梯度進行選擇。如溫度或壓力時程曲線上顯著變化時刻，以及由截面溫度推到得到的最大彎矩時刻。
[0035]步驟I中采用的網格尺寸應能反映計算時刻的標準截面溫度分布，即截面溫度分布曲線(如圖2所示)較平滑。
[0036]3.截面網格優化
[0037]步驟I中，沿安全殼厚度方向，模型網格采用均勻的劃分，并采用較小的網格尺寸，網格數量較多。這種網格密度對于標準截面的計算模型是可以接受的，但是，如果對于安全殼的整體計算模型，采用這種網格尺寸計算量偏大，計算速度較慢。
[0038]在最初時刻，由于安全殼內表面受到高溫作用，升溫很快，靠近內表面的區域混凝土的溫度梯度很大，需要比較小的網格尺寸來模擬。靠近外表面的混凝土區域在相當長的一段時間內不會受到安全殼內部高溫的影響，溫度梯度很小，可采用較大的網格尺寸來模擬。所以，整個截面可采用由內側到外側網格尺寸逐漸變大的網格劃分方式。
[0039]可以初步確定幾種漸變的網格尺寸方案，分別得到計算時刻的標準截面溫度分布，并與步驟I中的計算結果(如圖2所示)進行比較，在保證精度的前提下，選出一種合理的網格尺寸(如圖3所示)。與步驟I中的模型(如圖1所示)相比，優化后的模型網格數量大大減少。合理的網格尺寸是一種能夠模擬出各個計算時刻的截面溫度分布的數量最少的網格尺寸方案。網格數量越少，計算工作量越少，計算速度越快。
[0040]4.整體模型溫度梯度計算
[0041]在此部分工作中，除需要建立整個安全殼的有限元模型外，采用的計算軟件、單元類型、熱力學參數設置、溫度輸入參數均與步驟I中相同。安全殼截面沿厚方向的網格按照步驟3中得到的優化后網格進行劃分。
[0042]采用優化后的網格進行標準截面有限元瞬態熱分析，得到步驟2中確定的計算時刻的結果，并得到計算時刻的截面平均溫度。
[0043]高溫作用施加在安全殼的內表面，安全殼外表面輸入環境溫度。進行有限兀模型的瞬態熱分析，得到安全殼整個時間過程的溫度梯度。保存步驟2中確定的計算時刻的結果，用于后一步的整體模型溫度應力計算。
[0044]5.整體模型溫度應力計算
[0045]將步驟4中的整個安全殼的溫度梯度分析有限元模型，轉化為應力分析有限元模型，可以通過在軟件中修改單元類型來實現，如在ANSYS中將S0LID90單元修改為S0LID95單元。
[0046]根據混凝土的研究成果(如《預應力混凝土高溫性能及抗火設計》鄭文忠侯曉萌聞凱編著，第2.3.2節)，高溫作用下混凝土的彈性模量會降低。根據步驟4中得到截面平均溫度，對混凝土彈性模量進行折減，可以按照《GB50051-2002煙囪設計規范》中表3.2.6進行。
[0047]在應力分析有限元模型中，將步驟4中得到的計算時刻的整個安全殼的溫度梯度作為荷載讀入，計算得到各個計算時刻的溫度應力。
[0048]6.內壓工況應力計算
[0049]一般情況下，安全殼的嚴重事故工況發生時，高溫和高壓作用會同時作用于安全殼結構。所以，應進行內壓工況的計算，并采用折減后的混凝土彈性模量進行計算。內壓工況計算的基本計算方法是，建立有限元模型，然后在模型指定區域上施加面荷載，可以得到模型中各個區域的變形和應力。這種計算是構筑物或構件力學分析的基本過程，屬于本領域的公知技術。
[0050]采用步驟5用的應力分析有限元模型，施加內壓荷載，得到整個安全殼的應力計晳奸里
[0051]嚴重事故工況發生后，安全殼的內壓是隨時間變化的，可以選擇其中的最大值作為荷載輸入。其他時刻的壓力荷載作用的結構應力可以由最大內壓對應時刻的結構應力乘以小于1的系數得到。系數的具體值根據輸入的壓力曲線確定。例如，曲線中的最大值為0.5MPa，而tl時刻對應的內壓值為0.3MPa，則該時刻的系數為0.3/0.5 = 0.6。
[0052]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其同等技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，包括如下步驟: (1)將溫度時程曲線和環境溫度作為輸入，計算安全殼標準截面各個時刻的溫度梯度； (2)根據溫度和壓力的輸入時程曲線以及安全殼標準截面各個時刻的溫度梯度，選取若干合適的計算時刻，所述的計算時刻為輸出計算結果的時刻； (3)對步驟(I)中安全殼標準截面計算模型的截面網格進行優化，整個截面采用由內側到外側網格尺寸逐漸變大的網格劃分方式； (4)針對優化后的安全殼截面網格劃分方式，進行整體模型溫度梯度計算，得到步驟(2)中確定的各個計算時刻整體模型的溫度分布，并得到計算時刻的截面平均溫度； (5)將步驟(4)中的整個安全殼的溫度梯度分析有限元模型轉化為應力分析有限元模型，在應力分析有限元模型中，將步驟(4)中得到的各個計算時刻的整個安全殼的溫度梯度作為荷載讀入，計算得到各個計算時刻的溫度應力； (6)采用步驟(5)用到的應力分析有限元模型，施加內壓荷載，得到整個安全殼的應力計算結果。
2.如權利要求1所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，其特征在于:步驟(I)中采用通用有限元軟件的熱分析單元建立安全殼標準截面的三維有限元模型，三維有限元模型采用長方體，沿安全殼厚度方向，模型的網格采用均勻劃分；溫度時程曲線作為安全殼內表面的計算輸入，環境溫度作為安全殼外表面的計算輸入，通過通用有限元軟件進行瞬態熱分析計算，計算中分多個荷載步在安全殼的內外表面施加不同時刻的溫度荷載，計算結果為整個時間歷程標準截面的溫度分布。
3.如權利要求1所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，其特征在于:步驟(2)中選取的計算時刻為溫度或壓力時程曲線上顯著變化時刻，以及由截面溫度推導得到的最大彎矩時刻。
4.如權利要求1所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，其特征在于:步驟(3)中，初步確定幾種漸變的網格尺寸方案，分別得到計算時刻的標準截面溫度分布，并與步驟(I)中的計算結果進行比較，在保證精度的前提下，選出一種能夠模擬出各個計算時刻的截面溫度分布的網格數量最少的網格尺寸方案。
5.如權利要求1-4中任意一項所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，其特征在于:步驟(5)中根據步驟(4)中得到截面平均溫度，對混凝土彈性模量進行折減。
6.如權利要求5所述的用于抵抗長期高溫和內壓共同作用的安全殼結構計算方法，其特征在于:步驟￠)中采用折減后的混凝土彈性模量進行計算，安全殼的內壓選擇最大值作為荷載輸入，其他時刻的壓力荷載作用的結構應力由最大內壓對應時刻的結構應力乘以小于I的系數得到。
【文檔編號】G06F17/50GK104268312SQ201410452199
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】孟劍, 王黎麗, 趙金濤, 吳茜婷, 于暉 申請人:中國核電工程有限公司