[发明专利]AP1000核电厂重力水箱挡板减震优化布置方式

权利要求书

1.一种AP1000核电厂重力水箱挡板减震优化布置方式，其特征在于在地震荷载作用下，减小重力水箱内部的流固耦合作用，从而达到减震效果，步骤如下：

(1)建立AP1000屏蔽厂房三维全耦合模型

采用有限元分析软件ANSYS，基于流固耦合理论建立AP1000核电厂屏蔽厂房重力水箱全耦合精细化三维有限元模型；

(2)流固耦合理论

在AP1000核电厂重力水箱的设计中，重力水箱内部有部分水，当核电厂受到地震动作用时，水箱内的水和重力水箱结构发生流体和结构之间的流固耦合作用，从而引发水流的波动和震荡，对结构的动力响应产生了一定的影响；流固耦合作用表示为重力水箱结构与水箱内部水的耦合方程，结构的运动方程如下：

[M]{u··}+[K]{u}={Fp}---(1)]]>

其中，[M]为结构的质量矩阵；[K]为结构的刚度矩阵；为结构加速度矢量；为结构位移的矢量；{F^P}流体作用在结构表面的压力荷载；

压力荷载等效为压力离散变量在结构表面面积上的积分，具体公式如下：

{F^p}＝∫_A{N_u}{N_p}^T{P_e}{n}dA(2)

其中，{N_u}为位移分量{u}的近似单元形函数；{P_e}为压力矢量；{N_P}^T为压力矢量{P_e}的近似单元形函数；{n}为垂直于流体和固体表面的法向向量；A为面积；

在式(2)中，用式(3)来代表中间变量，则式(2)简化为式(4)形式，如下：

[B]＝∫_A{N_u}{N_p}^T{n}dA (3)

{F^p}＝[B]{P_e} (4)

将(4)式代入(1)式，得出式(5)，如下：

[M]{u··}+[K]{u}-[B]{Pe}=0---(5)]]>

在进行数值模拟计算时，流体被认为是不可压缩的、无粘性的；基于上述假设，波动方程表达式为：

1c∂2P∂t2-▿2P=0---(6)]]>

c=k/ρ0---(7)]]>

其中，c为流体中的声速；k为名义体积模量；ρ₀为名义流体密度；P为声速压力；T为时间；

利用伽辽金方法对波动方程进行分解，得到如下式：

[Q]{P··e}+[H]{Pe}-∫A{Np}{n}∂p∂ndA=0---(8)]]>

[Q]=1c2∫A{Np}{Np}TdV---(9)]]>

[H]＝∫_A{L}{N_p}{L}{N_p}^TdV (10)

其中，

流固耦合的边界条件如式(11)：

∂p∂n=-ρ{Nu}T{u··}---(11)]]>

将式(11)代入式(8)中，得到下式：

[Q][P··e]+[H]{Pe}+ρ[B]T=0---(12)]]>

利用流固耦合的波动方程及边界条件，即将式(5)与式(12)联立，得到流固耦合作用的矩阵表达形式：

[M]0ρ[B][Q]uP··e+[K]-[B]0[H]uPe=00---(13)]]>

其中，ρ为密度；

根据以上公式，得到了式(13)矩阵；利用ANSYS有限元分析软件进行流固耦合作用的分析时，即采用ANSYS进行模态分析，用上式求耦合作用的特征值，得到特征方程的特征值；

(3)重力水箱减震理论

在流固耦合作用理论的基础上，提出减震措施；在保证重力水箱水量不变的情况下，通过优化重力水箱内部挡板的布置方式，得到最优的布置方案，可减小流固耦合作用所产生的动力响应，从而达到减震的作用，为实际工程提供了可靠依据；

通过调整水箱流体的频率，即流体的深度、水箱流体的波长，可实现水箱减震；公式如(14)所示：

f=12πgλtanh(hλ)---(14)]]>

其中，f为水箱流体的频率；H为流体的深度；λ为水箱流体的波长；

核电厂重力水箱的减震情况与重力水箱挡板的安装位置、宽度、以及水箱流体的频率有关；从公式(14)看出，流体的深度h和水箱流体的波长λ可改变水箱的频率，从而达到减震效果；因此，方法采取不同挡板的布置方案以减小由于地震荷载产生的流固耦合作用以及动力响应；

(4)地震动输入选取

El-Centro地震动作为核电厂动力时程响应分析的基底地震动输入，地震动采取三向强震El-Centro地震动作用；加速度峰值按照式(15)进行调幅计算，地震动峰值加速度设为0.5g；

a′(t)=Amax′Amaxa(t)---(15)]]>

其中，a′(t)为经过调幅后的地震动加速度时程；A′_max为经过调幅后的地震动加速度时程峰值；a(t)为原地震动加速度时程；A_max为原地震动加速度时程峰值；

(5)动力响应及工况设置

结构在地震作用下的动力方程，如下：

M{u··}+C{u·}+K{u}=-Mu··g---(16)]]>M{u··+u··g}+C{u·}+K{u}=0---(17)]]>u··a=u··+u··g---(18)]]>

其中，M为质量阵；C为阻尼阵；K为刚度阵；u分别为相对加速度、相对速度、相对位移；为相对地面加速度；为绝对加速度；

利用地震动加速度时程对AP1000核电厂屏蔽厂房重力水箱结构进行动力响应分析；研究5种优化方案在地震作用下减震优化方案的动力响应并结合不同工况，比较各种工况在地震动作用下的挡板减震情况并分析，从而得到重力水箱内部挡板最优的布置方式。