一种考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，该方法根据结构和水的不同材料特性，采用不同的有限元网格描述方式，厂房墙体和水箱结构采用拉格朗日网格方式模拟，水体部分采用欧拉网格方式模拟，采用流固耦合分析方法和显式动力学分析方法，从不同材料网格特性、相互接触关系、流体状态方程与结构动力学方程等方面出发，真实模拟地震作用下外挂水箱中水与结构的相互作用。本发明可解决形状复杂、液面净空较小的水箱结构的水和结构在地震作用下相互耦合作用的分析问题。
【专利说明】一种考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，尤其涉及形状不规则、液面净空较小、地震作用下水与结构的相互作用较为明显的水箱结构。
【背景技术】
[0002]核电厂对地震作用下的安全性有很高要求，尤其是核电厂中的水箱结构，在地震作用下，水箱中的水的晃动效应会对结构产生附加的内力响应，准确分析该内力响应，对核电厂水箱的设计具有重要的指导作用。
[0003]目前国际上已有的核电厂水箱结构设计中，水在地震作用下的晃动效应，通常通过以下两种方法计算:(1)将水箱内的水转化为集中质量固结于水箱墙体上，直接进行整体抗震分析，而忽略了水箱水的晃动参与质量、以及水-结构流固耦合作用的影响，计算结果偏于保守。(2)水对结构的作用分为晃动水和冲动水两部分，根据经验公式计算得到冲动水的参与质量，模拟质量点参与结构整体抗震分析。而局部的晃动力作用，通过经验公式计算液面晃动高度的形式估算。此方法无法考虑晃动水对于水箱顶板的冲击作用，因此不适用于水箱形状复杂、水面净空较小的情况。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服目前国际上已有方法比较简化、计算结果偏于保守、无法分析形状复杂和水面净空较小的水箱结构等问题，提供一种能够充分考虑水和结构的相互作用，并且可应用于形状复杂、水面净空较小的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法。
[0005]本发明的技术方案如下:一种考虑流固稱合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，包括如下步骤:
[0006](I)根据核电厂外层安全壳及防护厂房的设计图纸，建立与实际结构一致的三维有限元分析模型，其中，厂房墙体和水箱结构采用拉格朗日网格方式模拟，水箱中的水采用欧拉网格方式模拟；
[0007](2)分别确定结构和水体的有限单元类型、材料特性及本构模型；
[0008](3)确定流固耦合分析方法及水体与结构的接触关系；
[0009](4)确定地震作用荷载及边界条件；
[0010](5)采用显示动力学分析方法进行求解，得到在地震作用下的结构响应；
[0011](6)将得到的结构在地震作用下的内力响应用于结构配筋设计。
[0012]进一步，如上所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，步骤(I)中采用ABAQUS有限元分析软件建立三维有限元分析模型。
[0013]进一步，如上所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，步骤(2)中，结构的有限单元类型为三节点壳单元和四节点壳单元，水体的有限单元类型为缩减积分欧拉单元；结构的混凝土材料采用线弹性材料模型，水体的材料特性为不可压缩粘性流体。
[0014]更进一步，如上所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，步骤(2)中，水的材料本构模型采用状态方程的形式描述，状态方程根据单位质量的内能增量等于应力总功率与热功率的和的方式建立。
[0015]进一步，如上所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，步骤(3)中，采用相容拉格朗日-欧拉法模拟流固耦合作用关系，水体与结构的接触关系通过罚函数法实现，根据流体与结构的接触力为罚函数力的反作用力，在计算接触力的过程中通过不断迭代，平衡流体与结构的相互之间的相对位移，求得每一时刻的流体与结构的接触力。
[0016]进一步，如上所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，步骤(4)中，所述的边界条件为模型底部施加X，Y，Z三个方向加速度时程，分别代表地震作用在三个方向的分量，峰值加速度为0.3g。
[0017]进一步，如上所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，步骤(5)中，采用显式动力学求解器ABAQUS/Explicit对核电厂外层安全壳及防护厂房结构的地震响应进行计算分析，获得结构和流体在地震加速度荷载作用下的结构位移时程、结构单元应力、结构单元内力、水的晃动效果时程、晃动高度、结构与流体的相互接触力。
[0018]进一步，如上所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，步骤(6)中，结合Matlab程序化设计，首先，对结构单元的各个不同内力的时程提取各自的最大值；然后，进行单元内力最不利组合；最后，得到组合内力结果后，参考能源行业标准NB/T20012-2010《压水堆核电厂核安全有关的混凝土结构设计要求》对结构进行配筋计算。
[0019]与现有的核电厂水箱结构抗震分析方法相比，本发明具有如下特点:
[0020]1、采用国际上得到广泛认可的大型通用有限元分析软件ABAQUS，模拟了整个核电厂外层安全壳及防护厂房结构的三维模型，结构模型具有真实性、准确性、和可靠性。
[0021]2、对于水箱中水的模拟，采用了更适用于描述变形较大、流动性较强的流体物质的欧拉网格描述方式，能更准确有效的描述在地震作用下的水箱中水的运动状态。
[0022]3、本发明采用流固耦合分析方法和显式动力学分析方法，从不同材料网格特性、相互接触关系、流体状态方程与结构动力学方程等方面出发，真实模拟地震作用下外挂水箱中水与结构的相互作用。
[0023]4、通过分析求解得到结构内力响应结果后，提取结构各个单元整个地震作用时程中的最大内力响应值，用于结构配筋设计，拓展了时程分析在结构设计中的应用。结合Matlab程序化设计，对结构内力输出结果进行处理、配筋计算等。
[0024]5、本发明方法可以对外层安全壳外挂水箱相关部位结构设计进行优化。通过外挂水箱流固稱合分析找到结构薄弱环节，提出如改变结构断面等相应的优化措施，进一步提高结构的安全性和可靠性。
[0025]6、本发明方法可解决形状复杂、液面净空较小的水箱结构的水和结构在地震作用下相互耦合作用的分析问题。【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为外层安全壳外挂水箱平面不意图；
[0027]图2为外层安全壳外挂水箱剖面不意图；
[0028]图3为本发明的方法原理示意图；
[0029]图4为本发明中流体与结构接触关系的定义方式示意图。
[0030]图1、图2中，10.外层安全壳11.水箱A12.水箱B13.水箱C
[0031]图3中，1.水箱结构(拉格朗日网格)2.欧拉网格3.欧拉网格部分位置填入水材料4.结构与水之间设置接触关系5.结构底部输入地震加速度时程
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0033]( I)建立三维有限元分析模型
[0034]外挂环形水箱属于核电厂外层安全壳及防护厂房，位于外层安全壳筒体10上部，如图1和图2所示，水箱整体为圆环形，由隔板分三段，如图中的水箱A-11，、水箱B-12、水箱C-13，每段水箱中有部分位置水深较深，水深为11.68m，水底标高为42.3m，其他位置水深为3.38m，水底标高50.6m ;水面标高为53.98m，水面净空1.62m，水量共计约为3000吨。
[0035]在本发明方法分析中，采用国际通用有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型。根据结构和水的不同材料特性，采用不同的有限元网格描述方式。厂房墙体和水箱结构采用拉格朗日网格方式模拟(如图3`中标号1)，拉格朗日单元网格随材料的变形而变化，材料边界清晰，是描述固体结构的最常用方法。水箱中的水采用欧拉网格方式模拟(如图3中的标号3)，欧拉网格2在空间中固定不变，材料的位置状态通过欧拉单元中的分布分数确定，欧拉的优点是网格固定不会发生畸变，即使分析对象产生巨大的变形也不会对网格产生影响，适用于描述变形较大、流动性较强的流体物质。
[0036](2)确定单元类型、材料参数和本构模型
[0037]结构采用三节点壳单元和四节点壳单元。流体采用欧拉网格方式模拟，单位类型为缩减积分欧拉单元。
[0038]混凝土材料采用线弹性材料模型，弹性模量3.25X IO5Pa,泊松比为0.2，密度为2500kg/m3，结构阻尼比为0.07。
[0039]水的材料特性为不可压缩粘性流体，密度为1000kg/m3，粘性系数为0.0OlPa.s,水中声速1500m/s。水的材料本构模型采用状态方程的形式描述，根据单位质量的内能增量等于应力总功率和热功率的和:
dEvlI dp.[0040]p= (p - Vbv) p~^ + S:1 +
[0041]其中p是压应力，P为密度，pbv是流体粘性产生的压应力，S是应力偏量，e是应变偏量，Q是热量，Em为内能密度，字母上的点表示时间导数。
[0042](3)流固耦合分析方法
[0043]整体厂房在地震作用的动态响应分析中，既包含变形不大的混凝土壳体，也包含存在巨大变形的液体。本发明采用相容拉格朗日-欧拉法模拟流固耦合作用关系。所谓相容拉格朗日-欧拉法，即结构壳体采用拉格朗日法描述，流体采用欧拉法描述，在相互接触面结合这两种方法，用来描述流体和结构的相互作用。本方法的优势在于:在求解流固耦合问题时可以直接利用流体力学和固体力学中的基本方程；此方法能在分析模型中包含固体和流体两种材料，能真实的反应流体的流动特性，更重要的是能够仿真流体与固体的耦合效应。在此方法中，结构与水之间设置接触关系，如图3中标号4所示的位置，接触关系通过罚函数法实现。罚函数法的基本原理如图4所示，F为罚函数力，k为接触刚度，Δ为接触穿透位移，F=kA，而流体与结构的接触力为罚函数力的反作用力，即F_tac;t=-F，计算过程中通过不断迭代，平衡流体与结构的相互之间的相对位移，并求得每一时刻的接触力F_tart。
[0044]( 4 )地震作用荷载及边界条件
[0045]结构承受的重力荷载通过在整个模型施加重力加速度实现，重力加速度g取值为:9.8m/s2。边界条件为模型底部施加X，Y，Z三个方向加速度时程，如图3中标号5所示，分别代表地震作用在三个方向的分量，峰值加速度为0.3g。
[0046](5)显示动力学求解
[0047]本发明中，选用显式动力学求解器ABAQUS/Explicit对外层安全壳及防护厂房在地震作用下的内力响应进行分析。显式动力学分析对于求解广泛的、各种各样的非线性固体和结构力学问题是一种非常有效的工具。显示动力学求解，可以获得结构和流体在地震加速度荷载作用的位移、应力、内力等数值结果，其中结构内力可以用于结构的配筋计算。显示动力学求解，基本动力学平衡方程如下:
[0048]uI (t) =Ivr1.(p-ι) I ω
[0049]节点质量矩阵M乘以节点加速度U等于节点合力(P-1 )，施加的外力P(地震作用、惯性力等)与单元内力I (单元内力、流体与结构的相互接触力等)之间的差值，每个时间点的计算结果仅依赖于之前时刻，时间积分公式如下，其中?为节点速度，U为位移，△ t为时间积分步长。
【权利要求】
1.一种考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，包括如下步骤: (1)根据核电厂外层安全壳及防护厂房的设计图纸，建立与实际结构一致的三维有限元分析模型，其中，厂房墙体和水箱结构采用拉格朗日网格方式模拟，水箱中的水采用欧拉网格方式模拟； (2)分别确定结构和水体的有限单元类型、材料特性及本构模型； (3)确定流固耦合分析方法及水体与结构的接触关系； (4)确定地震作用荷载及边界条件； (5)采用显示动力学分析方法进行求解，得到在地震作用下的结构响应； (6)将得到的结构在地震作用下的内力响应用于结构配筋设计。
2.如权利要求1所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，其特征在于:步骤(I)中采用ABAQUS有限元分析软件建立三维有限元分析模型。
3.如权利要求1或2所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，其特征在于:步骤(2)中，结构的有限单元类型为三节点壳单元和四节点壳单元，水体的有限单元类型为缩减积分欧拉单元；结构的混凝土材料采用线弹性材料模型，水体的材料特性为不可压缩粘性流体。
4.如权利要求3所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，其特征在于:步骤(2)中，水的材料本构模型采用状态方程的形式描述，状态方程根据单位质量的内能增量等于应力总功率与热功率的和的方式建立。
5.如权利要求1所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，其特征在于:步骤(3)中，采用相容拉格朗日-欧拉法模拟流固耦合作用关系，水体与结构的接触关系通过罚函数法实现，根据流体与结构的接触力为罚函数力的反作用力，在计算接触力的过程中通过不断迭代，平衡流体与结构的相互之间的相对位移，求得每一时刻的流体与结构的接触力。
6.如权利要求1所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，其特征在于:步骤(4)中，所述的边界条件为模型底部施加X，Y，Z三个方向加速度时程，分别代表地震作用在三个方向的分量，峰值加速度为0.3g。
7.如权利要求1所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，其特征在于:步骤(5)中，采用显式动力学求解器ABAQUS/Explicit对核电厂外层安全壳及防护厂房结构的地震响应进行计算分析，获得结构和流体在地震加速度荷载作用下的结构位移时程、结构单元应力、结构单元内力、水的晃动效果时程、晃动高度、结构与流体的相互接触力。
8.如权利要求1或7所述的考虑流固耦合的核电厂外层安全壳外挂水箱结构的抗震设计方法，其特征在于:步骤(6)中，结合Matlab程序化设计，首先，对结构单元的各个不同内力的时程提取各自的最大值；然后，进行单元内力最不利组合；最后，得到组合内力结果后，参考能源行业标准NB/T20012-2010《压水堆核电厂核安全有关的混凝土结构设计要求》对结构进行配筋计算。
【文档编号】G06F17/50GK103886138SQ201410075044
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】蔡利建, 姚迪, 王黎丽, 李玉民, 张超琦 申请人:中国核电工程有限公司