一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法与流程

1.本发明涉及控制棒落棒分析技术领域，具体涉及一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法。


背景技术：

2.控制棒组件是核反应堆的控制部件。在正常运行工况下，控制棒组件可以启堆、停堆并调节反应堆的功率；在事故工况下，依靠控制棒的快速下插，反应堆可以在极短的时间内紧急停堆，从而确保反应堆的安全。
3.控制棒落棒过程的计算是反应堆安全分析的重要内容，必须确保控制棒的落棒时间满足规定时间的要求，避免出现落棒不畅。目前，国内外的许多专家针对控制棒落棒过程，从不同角度展开了大量的研究，主要包括：针对某种具体结构的控制棒结构形式，如核电站常用的束棒型控制棒组件，建立专用的计算程序进行分析验证或采用计算流体力学分析方法，基于动网格技术，对控制棒组件所在流体域进行计算，获得控制棒的落棒时间。但由于控制棒组件与其通道之间的间隙比较小，在落棒过程中不可避免地会发生碰撞并由此产生摩擦阻力，同时反应堆内的运行也会导致通道和控制棒组件的变形，碰撞过程加剧，无论是上述专用计算程序还是计算流体力学分析方法，均无法将该碰撞过程及其导致的摩擦力考虑在内。
4.现有技术中虽然记载过在驱动线性能试验台架上，通过控制棒组件在导向通道中摩擦力试验测定不同冷却剂流量下控制棒所受摩擦力，但该方法所测得的摩擦力适用范围太窄，且没有对落棒时的碰撞过程进行建模，因此，亟需设计一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，以解决以上问题。


技术实现要素：

5.本发明设计的一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，用于解决现有控制棒落棒计算分析方法中未考虑碰撞过程及其导致的摩擦力，或对未落棒时的碰撞过程进行建模的技术问题。
6.本发明的技术方案：
7.一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，包括如下步骤：
8.步骤s1、对落棒过程中涉及到的几何结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型；
9.步骤s2、基于有限元模型开展结构的模态分析，以得到控制棒组件和燃料组件的基频f1、f2并对两者的基频进行比较；
10.步骤s3、计算控制棒落棒过程中受到的流体阻力；
11.步骤s4、基于连续碰撞力法在多体动力学分析模型中建立接触碰撞模型，计算碰撞力，得到控制棒在落棒过程中受到的碰撞力fn；
12.步骤s5、为将控制棒受到的碰撞力转换为沿落棒方向的摩擦力，需采用修正的库
伦摩擦定律；
13.步骤s6、运用多体动力学分析方法，综合考虑重力和浮力获得控制棒的落棒过程，得到控制棒的加速度、速度、位移特性。
14.所述步骤s2具体包括如下内容：若控制棒组件和燃料组件的基频f1、f2中某一基频远大于另一基频即f1》》f2或f1《《f2，则将其中基频较大者视为刚体，基频较小者视为柔性体；建立控制棒落棒结构的柔性多体动力学模型，考虑基频较小的结构在碰撞过程中产生的变形；若基频f1、f2接近，则将两者都视为刚体建立控制棒落棒结构的多刚体动力学模型。
15.所述步骤s3还包括：为分析落棒不畅并提高计算效率，将控制棒落棒受到的流体阻力简化为如下与落棒速度相关的关系式(1)
[0016][0017]ff
为控制棒落棒过程中受到的流体阻力；其中，第一项表示压差阻力，v为控制棒速度，s
l
为控制棒组件底面积，c
p
为压差阻力系数；第二项为粘性阻力，d
l
为控制棒与液体接触的侧面积，粘性阻力在不同速度与通道形状下，考虑高低雷诺数流阻差异，粘性阻力与速度的一次方或者二次方有关，在不同情况下其中一者占主导或者同时存在，所以粘性阻力系数存在两个，分别为c
f1
和c
f2
。ρf为计算工况下流体的密度。
[0018]
根据权利要求1所述的一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，其特征在于：所述步骤s5中的库伦摩擦定律，采用如下公式(2)：
[0019]
当落棒速度为0时，摩擦力为0，当落棒速度大于0时，摩擦力为摩擦系数与碰撞力的乘积，并且摩擦系数不是定值，与控制棒的落棒速度有关；
[0020][0021]
所述步骤s6还包括：提取控制棒速度v＝0时的位移s，当此时控制棒的位移s不为0且小于控制棒的落棒行程l时，表明控制棒落棒不畅，否则表明控制棒能够顺利落棒。
[0022]
本发明的有益效果：
[0023]
本发明通过采用多体动力学计算方法，将接触碰撞过程考虑在内，从而解决：
[0024]
1.控制棒落棒过程中接触碰撞的模拟。与以往常用计算分析方法不同，本发明建立了一种能够将接触碰撞过程考虑在内的落棒分析计算方法，并且普适性强，同时还能够将堆内辐照后控制棒或燃料组件导向通道的辐照变形考虑在内。
[0025]
2.计算效率高。与目前常用计算方法相比，该方法在兼顾强的普适性的同时，将控制棒落棒过程中受到的流体阻力简化为与速度相关的关系式，从而能够保证建模及分析过程简单，更加有利于工程应用。
附图说明
[0026]
图1为本发明设计的一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法的流程框图；
[0027]
图2为本发明实施例1中所采用的控制棒组件和燃料组件的配插结构图；
[0028]
图3为本发明采用的修正库伦摩擦定律中摩擦系数随控制棒落棒速度的变化关系图。
[0029]
图4为本发明实施例2中控制棒组件结构示意图。
[0030]
图5为本发明实施例2中燃料组件横截面结构示意图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0032]
本发明采用多体动力学建立控制棒落棒过程的分析方法，计算中使用连续碰撞力法考虑间隙较小时或者存在辐照变形时的碰撞过程并使用修正库伦摩擦定律将碰撞力转换为摩擦力；为分析落棒不畅并提高计算效率，采用简化的与落棒速度相关的关系式计算流体阻力；在获得落棒特性之后，通过将控制棒落棒速度为0时的位移与控制棒的落棒行程进行比较，判断控制棒是否落棒不畅。
[0033]
本发明设计一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，具体包括如下步骤：
[0034]
步骤s1、对落棒过程中涉及到的几何结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型；
[0035]
步骤s2、基于有限元模型开展结构的模态分析，以得到控制棒组件和燃料组件的基频f1、f2并对两者的基频进行比较；
[0036]
步骤s3、计算控制棒落棒过程中受到的流体阻力；
[0037]
步骤s4、基于连续碰撞力法在多体动力学分析模型中建立接触碰撞模型，计算碰撞力，得到控制棒在落棒过程中受到的碰撞力fn；
[0038]
步骤s5、为将控制棒受到的碰撞力转换为沿落棒方向的摩擦力，需采用修正的库伦摩擦定律；
[0039]
步骤s6、运用多体动力学分析方法，综合考虑重力和浮力获得控制棒的落棒过程，得到控制棒的加速度、速度、位移特性。
[0040]
所述步骤s2具体包括如下内容：若控制棒组件和燃料组件的基频f1、f2中某一基频远大于另一基频即f1》》f2或f1《《f2，则将其中基频较大者视为刚体，基频较小者视为柔性体；建立控制棒落棒结构的柔性多体动力学模型，考虑基频较小的结构在碰撞过程中产生的变形；若基频f1、f2接近，则将两者都视为刚体建立控制棒落棒结构的多刚体动力学模型。
[0041]
所述步骤s3还包括：为分析落棒不畅并提高计算效率，将控制棒落棒受到的流体阻力简化为如下与落棒速度相关的关系式(1)
[0042][0043]ff
为控制棒落棒过程中受到的流体阻力；其中，第一项表示压差阻力，v为控制棒速度，s
l
为控制棒组件底面积，c
p
为压差阻力系数；第二项为粘性阻力，d
l
为控制棒与液体接触的侧面积，粘性阻力在不同速度与通道形状下，考虑高低雷诺数流阻差异，粘性阻力与速度的一次方或者二次方有关，在不同情况下其中一者占主导或者同时存在，所以粘性阻力
系数存在两个，分别为c
f1
和c
f2
；ρf为计算工况下流体的密度。
[0044]
根据权利要求1所述的一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，其特征在于：所述步骤s5中的库伦摩擦定律，采用如下公式(2)：
[0045]
当落棒速度为0时，摩擦力为0，当落棒速度大于0时，摩擦力为摩擦系数与碰撞力的乘积，并且摩擦系数不是定值，与控制棒的落棒速度有关；
[0046][0047]
所述步骤s6还包括：提取控制棒速度v＝0时的位移s，当此时控制棒的位移s不为0且小于控制棒的落棒行程l时，表明控制棒落棒不畅，否则表明控制棒能够顺利落棒。
[0048]
实施例1
[0049]
如图2所示，采用本专利方法对十字形控制棒组件是否能够顺利落棒进行计算分析，其包含以下步骤：
[0050]
对控制棒组件、燃料组件的结构模型进行简化，建立三维实体仿真模型及其有限元模型，基于建立的有限元模型对结构进行模态频率分析，得到控制棒组件的基频为82.18hz，燃料组件的基频为698.63hz。
[0051]
比较燃料组件和控制棒组件的基频可知，燃料组件的基频远远大于控制棒组件的基频率，因此将控制棒组件视为柔性体，燃料组件视为刚体，进行多体动力学建模。
[0052]
将控制棒组件落棒过程中受到的流体阻力简化为如式所示与速度相关的简化关系式，其中0.26为压差阻力系数，0.004和0.035为粘性阻力系数，ρf为计算工况下流体的密度，s
l
为控制棒底部截面面积，v表示控制棒的速度，d
l
为控制棒与液体接触的侧面积。
[0053][0054]
基于连续碰撞力法，采用hertz理论在多体动力学模型中建立落棒过程中碰撞力的计算模型，从而将影响控制棒落棒过程的另一重要因素考虑在内。
[0055]
采用如式所示的公式将碰撞力转换为控制棒在落棒过程中受到的摩擦力，μd(v)表示随落棒速度变化的摩擦系数，见图3。
[0056][0057]
在完成对流体阻力、碰撞力、碰撞导致的摩擦力的建模后，运用多体动力学分析方法，综合考虑重力和浮力计算得到了控制棒落棒过程中的加速度、速度和位移等特性，控制棒速度v＝0时对应的控制棒的位移s为3245mm，对比控制棒的落棒行程l＝4100mm可知，控制棒在未走完全部行程时，速度即降为0，表明在落棒过程中发生了卡滞，落棒不畅。
[0058]
实施例2
[0059]
本实施例相对于实施例1的区别在于，针对一种与图2完全不同的棒状控制棒组件
结构形式(见图4)进行落棒不畅计算分析，具体步骤如下：
[0060]
基于简化的控制棒组件和燃料组件模型，采用有限元方法计算得到控制棒组件和燃料组件的基频分别为154.35hz、183.27hz。
[0061]
比较燃料组件和控制棒组件的基频可知，燃料组件的基频和控制棒组件的基频接近，因此将控制棒组件和燃料组件均视为刚体，进行多体动力学建模。
[0062]
除上述步骤1和步骤2外，该实施例2的其余步骤与实施例1完全相同。
[0063]
本发明基于有限元建模分析获得控制棒组件和燃料组件的基频，通过基频的比较判断采用柔性多体动力学建模(考虑碰撞导致的结构部件变形)还是多刚体动力学建模(不考虑碰撞导致的结构部件变形)；将控制棒组件落棒过程中受到的阻力简化为与速度相关的关系式从而建立流体阻力计算模型；基于连续碰撞力法，使用hertz接触理论在多体动力学模型中建立碰撞力计算方法；运用修正库伦摩擦定律将碰撞力转换为摩擦力；综合考虑重力、浮力等并基于建立的多体动力学模型、流体阻力计算模型、碰撞及摩擦力计算模型获得控制棒的落棒过程，提取控制棒速度等于0时的位移，并与控制棒组件的落棒行程进行比较，从而判断控制棒是否能够顺利落棒。
[0064]
上面对本发明的实施例作了详细说明，本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

技术特征：
1.一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、对落棒过程中涉及到的几何结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型；步骤s2、基于有限元模型开展结构的模态分析，以得到控制棒组件和燃料组件的基频f1、f2并对两者的基频进行比较；步骤s3、计算控制棒落棒过程中受到的流体阻力；步骤s4、基于连续碰撞力法在多体动力学分析模型中建立接触碰撞模型，计算碰撞力，得到控制棒在落棒过程中受到的碰撞力f
n；
步骤s5、为将控制棒受到的碰撞力转换为沿落棒方向的摩擦力，需采用修正的库伦摩擦定律；步骤s6、运用多体动力学分析方法，综合考虑重力和浮力获得控制棒的落棒过程，得到控制棒的加速度、速度、位移特性。2.根据权利要求1所述的一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，其特征在于：所述步骤s2具体包括如下内容：若控制棒组件和燃料组件的基频f1、f2中某一基频远大于另一基频即f1>>f2或f1<<f2，则将其中基频较大者视为刚体，基频较小者视为柔性体；建立控制棒落棒结构的柔性多体动力学模型，考虑基频较小的结构在碰撞过程中产生的变形；若基频f1、f2接近，则将两者都视为刚体建立控制棒落棒结构的多刚体动力学模型。3.根据权利要求1所述的一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，其特征在于：所述步骤s3还包括：为分析落棒不畅并提高计算效率，将控制棒落棒受到的流体阻力简化为如下与落棒速度相关的关系式(1)：f
f
为控制棒落棒过程中受到的流体阻力；其中，第一项表示压差阻力，v为控制棒速度，s
l
为控制棒组件底面积，c
p
为压差阻力系数；第二项为粘性阻力，d
l
为控制棒与液体接触的侧面积，粘性阻力在不同速度与通道形状下，考虑高低雷诺数流阻差异，粘性阻力与速度的一次方或者二次方有关，在不同情况下其中一者占主导或者同时存在，所以粘性阻力系数存在两个，分别为c
f1
和c
f2
；ρ
f
为计算工况下流体的密度。4.根据权利要求1所述的一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，其特征在于：所述步骤s5中的库伦摩擦定律，采用如下公式(2)：当落棒速度为0时，摩擦力为0，当落棒速度大于0时，摩擦力为摩擦系数与碰撞力的乘积，并且摩擦系数不是定值，与控制棒的落棒速度有关；5.根据权利要求1所述的一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，其特征在于：所述步骤s6还包括：提取控制棒速度v＝0时的位移s，当此时控制棒的位移s不为0且小于控制棒的落棒行程l时，表明控制棒落棒不畅，否则表明控制棒能够顺利落棒。

技术总结
本发明涉及控制棒落棒分析技术领域，具体涉及一种考虑接触碰撞的控制棒落棒计算方法，步骤S1对落棒过程中涉及的几何结构建立三维实体仿真模型及其有限元模型；步骤S2得到控制棒组件和燃料组件基频f1、f2并对两者进行比较；步骤S3计算控制棒落棒过程中受到的流体阻力；步骤S4得到控制棒在落棒过程中受到的碰撞力F


技术研发人员：郑乐乐 岳题 王浩煜 朱发文 李垣明 杨洪润 卢川 齐敏 袁攀 秦勉 黄春兰 黄山 刘孟龙
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/8/14