核电站安全壳人员闸门应力分析——结构改进及其规律

安全壳是核电站防止放射性物质外泄的重要屏障,也是最后一道屏障.本文对某在建核电站安全壳重要贯穿件人员闸门进行了在自重、压力载荷下的静态分析、模态分析、地震载荷下的分析和屈曲分析.事故工况下温度载荷对设备的影响采用了简化弹塑性分析的方法.对设备在各使用限制条件下的应力进行了载荷组合与评定,结果显示,设备原设计无法承受核电站严重事故下的压力载荷.为此,作者提出了结构修改方案及其受力规律.经改进的结构的应力分析和评定结果表明,修改设计后的人员闸门满足ASME B＆PVC第Ⅲ卷的规范要求.论文也指出了原设计不满足ASME规范的结构方面的原因和历史、法规方面的原因,得到了安全壳贯穿件设备设计需关注的力学问题.     

碳纤维缠绕铝内胆气瓶的有限元分析与自紧设计

碳纤维缠绕铝内胆气瓶应用广泛，由于贮气压力高，安全性特别重要。铝内胆外表缠绕碳纤维的气瓶的重量比金属气瓶轻很多，已从航天航空应用转向民用。这种气瓶的设计和制造，在我国，国家标准还没有公布，在国际上较多采用DOT CFFC标准。本文对气瓶进行深入的有限元分析，参考DOT CFFC标准来讨论气瓶的设计和自紧。如采用其他标准，做法是一样的。本文有限元分析采用ANSYS程序。     

安全壳再循环地坑滤网应力分析

安全壳再循环地坑滤网是核电厂安全系统的重要设备,再循环工况下它的工作状况直接影响到安全注射系统(应急堆芯冷却系统)、安全壳喷淋系统的正常运行.本文对滤网结构进行在自重和接管载荷下的静态分析、模态分析和地震谱分析.并对结构各使用限制条件下的应力进行组合和评定.结果显示,滤网结构满足ASMEⅢ的规范要求.文章也阐述了结构各方面参数对结构抗震性能的影响.     

正交各向异性圆柱壳与平板连接处边缘应力分析

根据各向异性薄壳理论对承压圆柱壳与平板连接结构进行了力学分析,获得了圆柱壳连接处的剪力、弯矩、应力解,计算了各向异性弹性模量比对结构连接处的剪力、弯矩以及沿筒体纵向应力分布的影响,并与各向同性的结果进行了对比。结果表明:剪力和弯矩均随着各项异性弹性模量比的增大而增大;各项异性弹性模量与各项同性的情况相比对结构部位的应力影响显著;合理利用材料各向异性性能,可以降低承压结构连接部位的应力水平。研究结果为带有平板封头正交各向异性承压圆柱壳设计提供了参考。     

基于响应面法的复合材料气瓶含缺陷内胆屈曲可靠性分析

具有初始缺陷的内胆会对复合材料气瓶的服役性能造成严重危害,本文基于响应面法,提出了一种复合材料气瓶含初始缺陷内胆屈曲的可靠性分析方法。建立了铝合金6061内胆的T700/环氧复合材料气瓶的三维有限元模型,实现了复合材料气瓶内胆的收缩屈曲分析。基于响应面方法,构造了复合材料气瓶极限状态方程,并假设结构中的随机变量服从高斯分布,开展了考虑几何尺寸和凹陷尺寸变化的气瓶结构可靠性分析,结果表明,在气瓶内胆加工过程中,直筒段厚度的离散性会严重影响气瓶结构的可靠性;直筒段半径、直筒段长度、封头段半径和封头段厚度在通用加工误差内对气瓶结构的可靠性影响较小;对本文定型气瓶,当内胆表面的凹陷半径超过10 mm,且深度超过2 mm时,气瓶结构的可靠性会严重降低。     

矿井应急救生舱爆炸冲击波作用下的结构瞬态响应分析及参数化设计

针对因矿井应急救生舱模拟爆破冲击时分析数据缺乏而严重影响救生舱的开发设计问题,同某企业合作对救生舱进行了结构瞬态响应分析和优化设计,分析了不同压力和作用时间工况下,舱体封头和舱体正面的应力、应变、冲击变形及回弹情况.结果表明:舱体封头受到的应力2.0MPa 时变形量过大,所以门板可以设计成骨架的扁箱体结构,以增强该部位的结构强度和刚度;舱体受0.5MPa 压力冲击力时只发生弹性变形,随着冲击峰值的变大,变形量急剧增大,塑性变形占主导地位.变形过程在冲击载荷衰减为零后,还要延续一段时间,之后发生一定量的回弹,同时舱体的回弹能力急剧下降.本文在结构数值分析的基础上对舱体结构进行了参数化设计,通过对救生舱结构主要设计参数变化对其抵抗冲击能力的趋势分析可知:在允许范围内,应尽量增加支撑筋骨的高度B1 并减少波纹板宽度L2 及边部支撑筋骨厚度B2,以增强救生舱抵抗冲击的能力.     

核主泵静压型轴封系统二级密封机理研究

核主泵轴密封是核电设备的关键部件之一,探究其密封机理,实现国产化设计,具有重大意义.核主泵静压型轴封系统二级密封一般设计为一级密封失效时承受全部载荷.所研究的二级密封结构全压差(15.5 MPa)工作时的密封机理尚不明确.本文中采用流固耦合模型研究了一级密封失效时,二级密封的工作机理.结果表明:一级密封失效时,二级密封是非接触式静压型密封.在压差和动环变形环板变形产生的力的共同作用下,密封端面形成锥角为1 300.9μrad的收敛间隙;当入口水温65℃时,泄漏率为1 867.8 L/h.动环变形环板的变形有阻碍动环变形锥角增大的作用.动环变形环板厚度越大,密封泄漏率越大.密封介质入口温度以及材料的摩擦性能对密封性能亦有影响.此外,一级正常工作时,二级密封是接触式形式,采用混合润滑模型对其性能作了分析,分析表明一级密封正常工作时,二级密封压差约为0.17 MPa,密封为混合润滑状态,泄漏率为11.4 mL/h,端面温升23.9℃.     

爆炸冲击作用下绝热挡环破碎性能研究

固冲发动机转级时转级机构通常采用火工品爆炸破碎方式进行分离,转级机构的绝热挡环须可靠破碎成小碎片,从而在转级过程中不产生过高的压强峰值,对于确保进气道正常起动至关重要。本文采用光滑粒子动力学(SPH)方法,绝热挡环材料采用正交各向异性连续介质模型,对爆炸冲击作用下绝热挡环的破碎性能开展了数值仿真分析,获得了有无削弱槽结构的破碎开裂形式和碎片尺寸,并与试验结果进行了对比分析。结果表明,数值仿真结果与试验结果基本一致,碎片尺寸的最大值偏差为6.5%。通过数值仿真分析,揭示了爆炸冲击作用下绝热挡环的破碎过程,对评估绝热挡环削弱槽的结构优化设计具有一定的指导意义。     

空蚀诱发铁基纳米结构的发生机制

利用超声空化设备,分别在自来水和去离子水介质中针对Q235钢进行表面振动空蚀处理.利用扫描电子显微镜、激光共聚集显微镜、拉曼光谱仪和透射电子显微镜对自来水介质中产生的空蚀坑及坑缘形貌、结构进行了分析.结果表明:Q235钢空蚀呈现典型的彩虹环结构,该结构是由δ-Fe OOH组成的具有不同叠加厚度的纳米薄片.纳米结构生成机制为空化作用引起的空蚀产物喷发堆积.其中,较之去离子水介质,自来水介质中产生的纳米薄片厚度和数量要大得多,表明离子对羟基氧化铁纳米结构的形成有促进作用.     

沟谷坡面风沙起动规律研究

根据坡面风沙受力情况,以滚动模式建立了坡面风沙起动的风速公式.计算分析了相同风向条件下不同坡度风沙的起动风速和相同坡度条件下不同风向风沙的起动风速,并与平面风沙起动计算风速和实测风速进行了比较.计算分析表明,在风向一定时,坡面风沙更容易起动,风沙起动速率随着坡度的变陡而变小.在坡度一定时,风沙起动风速受到风向的影响很大,起动风速随风力与水平面垂线夹角的增大而增大.与平面相比,当风力与水平面垂线夹角小于90°时,坡面风沙起动流速比平面为小.在当风力与水平面垂线夹角大于90°时,起动风速比平面为大.当坡面为平面时,风沙起动公式与平面拜格诺起动公式完全一致.     

Dynamic response of a reinforced concrete slab subjected to air blast load

Reinforced concrete is the principal material for military engineering and nuclear power plant containment. However, impacts and explosions could completely destroy such structures, causing tremendous casualties and property loss. Hence, this study conducts an analysis on the propagation law of a blast pressure wave and the dynamic response of reinforced concrete structures under explosive pressure wave effects. This study uses proper state material parameters and equations and then applies the nonlinear finite element analysis software LS-DYNA to conduct a numerical simulation of a free-field explosion model. After comparison with the computed results from empirical equations and validating the reliability of the numerical analysis model, the destruction and influencing factors on reinforced concrete slabs, under the effects of a blast pressure wave, are investigated. The results can serve as a reference for future analysis and design.     

椭圆形织构摩擦片在核电站安全制动器中作用机理的数值研究

核电站安全制动器基于高精度、高可靠性设计，而摩擦片是安全制动器功能执行的核心零件，其摩擦性能影响核电站设备的安全性和经济性. 本文作者将椭圆织构应用于安全制动器的摩擦片中，通过数值方法研究了椭圆织构摩擦片在电磁制动器中的作用机理；建立椭圆织构摩擦片分析模型，同时利用有限元法求解摩擦片端面的压力分布情况，并研究了椭圆倾斜角、长细比、织构深度和摩擦面间隙变化对压力分布的影响规律. 结果表明:增加椭圆织构的长细比可以有效地降低摩擦面的磨损；椭圆织构倾斜角为45°时，气膜承载力最大，可以有效降低摩擦面的磨损；椭圆织构太深或太浅均会增加摩擦面的磨损，当深度为1 μm时，可以起到很好的减磨效果；椭圆织构产生较大的气膜承载力从而增大间隙，但气膜承载力随摩擦片间隙增加而减小，因而使摩擦片间隙固定在一定范围，既减少了磨损又保证了设备的稳定运行. 本文中涉及的数值研究为完善电磁制动器中的椭圆织构摩擦片设计提供解决方法，后续在产品样机中应用并通过了寿命试验验证.      

强地震作用下核电站控制棒下落时间分析

提出了核电站控制棒及驱动系统的力学模型及控制下落时间的计算方法,用显式差分格式计算各构件水平动力反应,并 二维和多点激励,计算结果表明,本文方法的计算结果与实验结果吻合得较好。     

地震动速度脉冲对高温气冷堆核电厂地震反应的影响

为探讨近断层地震动的速度脉冲对结构抗震能力的影响特征,以某高温气冷堆核电厂结构为研究对象,利用有限元软件建立线性三维模型,选择4组具有速度脉冲特性的近断层地震动加速度记录及人工模拟的具有相同加速度反应谱而无速度脉冲的地震动时程分别作为地震动输入,对模型进行动力时程分析,对比在有、无速度脉冲地震动作用下模型的地震反应。研究发现,虽然反应过程中结构仍处于弹性阶段但是地震动的速度脉冲对结构的位移反应具有一定的不利影响,这一点与已有的基本认识不同。因此对于需要安装对位移反应较为敏感设备的高温气冷堆核电厂房,应充分关注地震动速度脉冲对结构反应的影响。     

核电站一回路用机械密封

机械密封在各类核电站的一回路中有大量应用.核电站一回路用机械密封是核电站的关键部件之一,其性能好坏很大程度上决定着核电站能否长周期安全可靠运行.本文以几种具有代表性的核电站反应堆堆型为例,对其一回路用机械密封进行了介绍,这些反应堆分别以水、氦气和液态金属为冷却剂并跨越第二代到第四代核电技术.首先介绍了压水堆核主泵机械密封,分别叙述了美式风格的流体静压型核主泵密封及欧式风格的流体动压型核主泵密封的结构特点、工作原理和最新的基础研究状况;随后介绍了高温气冷堆氦气轮机/氦气风机干气密封的结构特点、使用要求及相应的针对性设计;最后介绍了钠冷快堆钠泵机械密封,包括1种惰性气体缓冲、油膜润滑的三级串联式机械密封和1种直接以液态金属润滑的螺旋槽式机械密封.     

基础隔震系统对核电站安全壳抗震的影响

为了确保核电站在遭受破坏性的地震后,安全壳要保持密封性且不被破坏,基于地震波在结构中的传播规律,从隔震技术的原理出发,建立较为准确的三维安全壳有限元模型,运用定性的方法对核电厂安全壳进行数值模拟,对比了极限安全地震动作用下采取隔震技术和不采取隔震技术安全壳的动力响应。采取隔震措施的安全壳的顶点在x、y、z方向的最大加速度分别为2.85、12.84和3.05m/s2,相比于无隔震措施的安全壳,加速度分别降低了79.52%、27.56%和79.47%。结果表明,隔震技术能有效地减小核电站安全壳的地震反应。     

核电结构土-结相互作用分析分区混合计算方法

土-结构相互作用分析是核电结构进行抗震设计和安全评估的重要环节.在核电结构的土-结相互作用分析中,阻尼和非线性是影响结构反应的重要因素. 若采用频域分析,可以方便考虑阻尼,但需通过等效线性化来考虑非线性,不适合于强震作用下的土体非线性.若采用时域分析的逐步积分方法,适合于考虑非线性,但材料阻尼一般采用瑞利阻尼模型,除了紧靠指定阻尼比的少数几个振型外,其他振型的反应将受到瑞利阻尼模型所确定的大阻尼所抑制,造成地震反应与真实情形有较大差异.若采用时域分析的模态叠加法,可合理计入阻尼效应,但模态叠加法不能考虑非线性.因此,如何合理考虑阻尼和非线性是核电结构土-结相互作用分析需要关注的问题.基于此,本文提出一种模态叠加和时步积分结合的土-结相互作用分区算法.其中,出于安全性考虑,地震作用下核电主体结构一般不允许进入非线性,因此结构可采用模态叠加方法,以便合理考虑结构阻尼;土体和基础采用显式时步积分法,可考虑土体非线性;通过人工边界条件考虑无限域的影响 (辐射阻尼).通过简单算例对该方法进行了验证,并用于CAP1400核电结构的土-结相互作用分析中,对比分析了采用模态阻尼和瑞利阻尼时核电结构和场地反应的差异,结果表明结构阻尼模型对场地的反应影响不大,但对结构反应影响明显,在实际工程中应合理选取阻尼模型.      

一座核电站空气管路爆炸的原因

介绍了对美国一座核电站的控制系统空气管路爆炸事故的原因分析和实验研究。认为爆炸起源于系统内部由激波引起的油膜爆轰所产生的瞬态高压。文中还介绍了有关的基本原理,实验设备和方法,给出了主要的实验结果,找到了产生这种油膜爆轰的条件和保障安全生产的技术措施。这项工作为爆轰研究提供了一种理想的设备和方法。所获得的结果在爆轰机理研究和爆炸安全研究方面具有一定的意义和应用价值。     

Piecewise linear model for water column oscillator simulating reactor safety system

A water column oscillation system, which is simulating the pressure balanced injection system in an advanced nuclear power plant, consists of free surfaces in a main-tank and a sub-tank. A cover gas simulating residual heat vapor generation is injected into the main-tank constantly and ejected intermittently. The water level can be described by a set of two piecewise linear ordinary differential equations with four independent parameters. The solution shows chaotic features under specific conditions. The behavior and bifurcation are examined.