核电主泵结构的简化模型构建方法及梁单元模型构建方法与流程

1.本发明涉及泵结构的有限元分析技术领域，尤其是涉及一种核电主泵结构的简化模型构建方法及梁单元模型构建方法。


背景技术：

2.在核电建设中，核电设备在应用中被要求在承受一定载荷的情况下，保持一定的功能，因此需要对核电相关设备进行结构力学的分析，进而对系统或者设备的初始设计给出相关的建议。为了进行核电设备的强度、抗震性能的研发，需要对相关设备进行简化，以方便建立结构力学分析模型。
3.核电主泵是核反应堆冷却剂系统的主要设备，是核电反应堆的心脏，因此对核电主泵结构的简化尤为重要，核电主泵结构简化后，方便建立结构力学分析模型，以对核电主泵的初始设计给出相关的建议。


技术实现要素：

4.针对上述情况，本发明提供一种核电主泵结构的简化方法，以方便建立结构力学分析模型，便于对核电主泵的初始设计给出相关的建议。
5.本发明还提供一种核电主泵结构的梁单元模型构建方法，以方便根据核电主泵结构的简化方法所得数据构建核电主泵结构的用于有限元动力学分析的梁单元模型。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种核电主泵结构的简化方法，主要可以包括以下过程：根据有限元离散思想，将三维实体主泵结构离散成n个相对独立的离散单元后，获取各个离散单元的截面参数及质量参数；在获取各个离散单元的截面参数及质量参数时，对各个离散单元的质量参数、截面参数进行等效计算；在获取各个离散单元的截面参数及质量参数后，先根据主泵简化理论，将n个离散单元简化成k个计算所需的铁木辛柯梁单元，然后再形成梁单元文件，完成三维实体主泵结构到以参数表征的简化模型的转化，其中，k≤n。
7.进一步的，在将三维实体主泵结构转化为参数表征的简化模型时，先将三维实体主泵结构根据计算需要分割为定子和转子，再将定子以及转子离散为多个轴段单元，再通过理论计算获取各个轴段单元的截面参数及质量参数。
8.进一步的，在模拟三维实体主泵结构的定子和转子之间的连接关系后，再形成梁单元文件。
9.本发明还提供了一种核电主泵的梁单元模型构建方法，在上述核电主泵结构的简化模型构建方法基础上实现，将梁单元文件中的参数转化为可供商业软件建模的建模参数，再将梁单元文件转化为可供建模分析的梁单元模型。
10.进一步的，在将梁单元文件中的参数转化为用于商业软件建模的建模参数时，在商业软件中采用规则梁单元截面参数和集中质量参数表征梁单元文件中的参数。
11.进一步的，在将梁单元文件中的参数转化为用于商业软件建模的建模参数时，若所述梁单元文件中的参数难以转化为规则单元模型，且其质量参数能够通过施加于梁端点的集中质量单元去表征时，则在商业软件中通过集中质量单元和商业软件自定义梁单元截面参数进行建模；其中，集中质量单元创建于梁端点。
12.进一步的，在将梁单元文件中的参数转化为用于商业软件建模的建模参数时，若所述梁单元文件中的参数难以转化为规则单元模型，且其质量参数难以通过施加于梁端点的集中质量去表征时，则在商业软件中通过集中质量单元和商业软件自定义梁单元截面参数进行建模；其中，集中质量单元创建于轴段重心位置。
13.进一步的，将梁单元文件中的参数转化为用于商业软件建模的建模参数的计算过程程序化，以便于直接输出用于商业软件建模的建模参数。
14.本发明提出的方案至少具有如下优点或有益效果：在对主泵进行离散简化时，根据主泵简化理论，将n个离散单元简化成k个计算所需的铁木辛柯梁单元，使得铁木辛柯梁单元能够对主泵进行更为准确的模拟，能够有效地规避相关条件的限制，以更准确地对核电主泵的结构进行简化，使得后续的计算分析也更加精确。
15.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图所特别指出的方法来实现和获得。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的核电主泵的梁单元模型构建方法的流程图。
18.图2为本发明实施例提供的转化程序的程序框图一。
19.图3为本发明实施例提供的转化程序的程序框图二。
20.图4为本发明实施例提供的一个铁木辛柯梁单元示意图。
21.图5为本发明实施例提供的主泵结构离散示意图。
22.图6为本发明实施例提供的商业软件建立的通用梁单元模型示意图。
23.图7为本发明实施例提供的梁单元文件参数转化为规则单元模型示意图。
24.图8为本发明实施例提供的梁单元文件参数转化为自定义单元i的示意图。
25.图9为本发明实施例提供的梁单元文件参数转化为自定义单元ii的示意图。
26.图10为本发明实施例提供的梁单元文件参数转化为自定义单元iii的示意图。
具体实施方式
27.在核电建设中，核电设备在应用中被要求在承受一定载荷的情况下，保持一定的功能，因此需要对核电相关设备进行结构力学的分析，进而对系统或者设备的初始设计给出相关的建议。为了进行核电设备的强度、抗震性能的研发，需要对相关设备进行简化，以
方便建立结构力学分析模型。
28.核电主泵是核反应堆冷却剂系统的主要设备，是压水反应堆的心脏，因此对核电主泵结构的简化尤为重要，核电主泵结构简化后，方便建立结构力学分析模型，以对核电主泵的初始设计给出相关的建议。
29.目前使用的核电主泵结构的简化方法，主要包括获取各个离散单元的质量参数及截面参数，具体如下：1. 质量参数等效主泵通常由定子及转子组成，定子或者转子又由许多部件组成，一般而言，一个部件被简化为一个铁木辛柯梁，其质量参数包括质量以及转动惯量，一个铁木辛柯梁单元参见附图4，该铁木辛柯梁的质量、转动惯量以及重心位置在规定的统一坐标系下，根据部件尺寸计算而来。
30.2. 截面参数等效通常情况下，主泵单个部件是形状异性的复杂结构，为将其简化为一个统一的铁木辛柯梁，需将该部件离散为n个轴段，参见附图5，（1）根据弯曲刚度相等，求解铁木辛柯梁的等效截面参数i在弯矩的作用下，根据梁的纯弯曲理论，梁的转角（斜率）为：其中，为轴段挠度，为轴段弹性模量，轴段弯曲惯性矩。
31.对于悬臂梁，在第n轴段端点的斜率为：其中，为轴段弹性模量，为轴段末端所受弯矩，分别为第轴段的惯性矩及长度。
32.因此，其弯曲刚度为：当将这些n轴段简化为一个长度为的铁木辛柯梁时，其弯曲刚度为：其中，为铁木辛柯梁等效惯性矩。
33.根据弯曲刚度相等原则，得到：
当考虑第i轴段对整体刚度的贡献时，上式改造成：其中，为刚度贡献系数。
34.（2）根据拉伸刚度相等，求解铁木辛柯梁的等效面积参数s在拉伸载荷的作用下，整个轴段的伸长量为：其中，为轴向拉力，为轴段弹性模量，为轴段长度，为轴段面积。
35.对于等效铁木辛柯梁，有：其中，为轴向拉力，为轴段弹性模量，为轴段长度，为等效梁截面积。
36.因此有：当考虑第i轴段对整体刚度的贡献时，上式改造成：其中，为刚度贡献系数。
37.在根据弯曲刚度相等获取等效截面参数时，由于采用的是梁纯弯曲理论，因此需
要同时满足下述两个条件：（1）针对单个轴段的截面惯性矩为形心主惯性矩，即：；（2）每个轴段的形心主惯性矩必须是相互平行的。
38.上述方法存在的问题是：由于核电主泵是一个复杂的结构，很难同时满足上述两个条件，因此，需要对上述截面参数等效方法进行改进，以使核电主泵结构的简化方法更加准确。
39.上述目前使用的核电主泵结构的简化方法中所公开的信息，仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
40.下面将结合附图1
‑
附图3，对本发明的实施例进行详细说明。
41.为了使核电主泵结构的简化更为准确，本实施例提供一种核电主泵结构的简化模型构建方法，主要可以包括如下过程：根据有限元离散思想，将三维实体主泵结构离散成n个相对独立的离散单元后，获取各个离散单元的截面参数及质量参数。
42.在获取各个离散单元的截面参数及质量参数时，对各个离散单元的质量参数、截面参数进行等效。
43.在获取各个离散单元的截面参数及质量参数后，先根据主泵简化理论，将n个离散单元简化成k个计算所需的铁木辛柯梁单元，然后再形成梁单元文件，其中，k≤n。
44.在一个具体的实施场景中，在将三维实体主泵结构转化为参数表征的简化模型时，先将三维实体主泵结构根据计算需要分割为定子和转子，再将定子以及转子离散为多个轴段单元；再通过理论计算获取各个轴段单元的截面参数及质量参数，即：个轴段单元；再通过理论计算获取各个轴段单元的截面参数及质量参数，即：具体而言，上述所述的主泵简化理论是指：在对各个离散单元的截面参数进行等效时，根据一般梁的弯曲理论（梁非对称弯曲），有：其中：
为形心轴，但不一定是形心主惯性轴，即：。
45.当时，有：设，上式可化成：积分后其轴段的转角公式为：针对多个划分轴段，在轴段端点a，b，c处，梁的转角为：因此，外推可得到端点n处的转角为：其中：因此：
同理，可以得到：其中，依次为轴段沿轴惯性矩、惯性积分以及沿轴惯性矩。
46.简而言之，针对主泵复杂的三维实体结构，根据有限元离散的思想，将复杂的三维实体结构离散成相对独立的轴段单元，依据梁的非对称弯曲理论，将各轴段单元简化成以等效截面参数为表征的铁木辛柯梁单元，即：(1)梁等效面积计算公式：其中：(2)梁等效惯性矩计算公式（x轴为梁的长度方向）：其中：
当z轴视为梁的长度方向时，则上式可改为：其中：在对各个离散单元的弯曲刚度进行等效时，根据主泵简化理论，将n个离散单元简化成k个计算所需的铁木辛柯梁单元，使得对各个离散单元的弯曲刚度能够进行更为准确的等效，能够有效地规避相关条件的限制，以更准确地对核电主泵的结构进行简化，使得后续的计算分析也更加精确。
47.在一个具体的实施场景中，为了使核电主泵的简化更为准确，还可在形成梁单元文件前，先通过轴承油膜刚度及相关结构刚度模拟三维实体主泵的定子和转子之间的连接关系。
48.本实施例还提供一种核电主泵的梁单元模型构建方法：在形成梁单元文件后，将梁单元文件转化为可供建模分析的梁单元模型。
49.由于梁单元文件中的参数往往难以直接用于商业软件进行建模，因此为保证商业软件所建模型与以参数为表征的梁单元文件一致，可对梁单元文件中的参数进行转化。即：在梁单元文件将转化为可供建模分析的梁单元模型前，先将梁单元文件中的参数转化为用于商业软件建模的建模参数，以方便构建核电主泵的梁单元模型。
50.在将梁单元文件中的参数转化为用于商业软件建模的建模参数时，包括以下三种情况：情况一：梁单元文件中的参数能够转化为规则单元模型；情况二：梁单元文件中的参数难以转化为规则单元模型，且其质量参数能够通过施加于梁端点的集中质量单元去表征，即自定义单元类型ⅰ和自定义单元类型ⅱ；情况三：梁单元文件中的参数难以转化为规则单元模型，且其质量参数难以通过施加于梁端点的集中质量单元去表征，即自定义单元类型ⅲ。
51.在满足情况一时，在商业软件中采用规则梁单元截面参数和集中质量单元去表征梁单元文件中的参数。
52.在满足情况二时，在商业软件中通过集中质量单元和商业软件自定义梁单元截面参数进行建模；其中，集中质量单元创建于梁端点。
53.在满足情况三时，在商业软件中通过集中质量单元和商业软件自定义梁单元截面参数进行建模；其中，集中质量单元创建于轴段重心位置。
54.具体而言，可按如下方式将梁单元文件中的参数转化为用于商业软件建模的建模参数：参见附图6，截面参数为表征的梁单元模型对重心g位置所产生转动惯量的通用计算公式如下：其中：其中：梁单元文件参数能转化为规则单元模型，即：在商业软件中建模时，能够通过梁单元的外径、内径去表征梁单元文件参数中的面积、沿x轴截面惯性矩以及沿y轴截面惯性矩，然后通过施加于梁端点i或者j的集中质量单元去调整有限元模型的质量参数，使在商业软件中所建有限元模型的质量参数与梁单元文件中所列参数一致，参见附图7：节点i：位于z1位置；节点j：位于z2位置；规则梁单元：在节点i与节点j之间建立规则梁单元，梁单元的输入参数为，输入参数计算公式如下：
其中：集中质量单元：在节点i或者节点j位置建立集中质量单元，集中质量单元的输入参数计算公式如下：其中：其中：其中，
梁单元文件参数能转化自定义单元i，即：商业软件中建模，虽然不能通过梁单元的外径、内径去表征梁单元文件参数中的面积、沿x轴截面惯性矩以及沿y轴截面惯性矩，但是能采用通用梁单元去建模，且能通过施加于梁端点i或者j的集中质量单元去调整有限元模型的质量参数，使在商业软件中所建有限元模型的质量参数与梁单元文件中所列参数一致，参见附图8：节点i：位于z1位置；节点j：位于z2位置；通用梁单元：在节点i与节点j之间建立通用梁单元，通用梁单元的是通过自定义截面参数进行建模，其自定义截面参数如下：其中：集中质量单元：在节点i或者节点j位置建立集中质量单元，集中质量单元的输入参数计算公式如下：其中：
其中，其中，梁单元文件参数能转化自定义单元ii，即：商业软件中建模，虽然不能通过梁单元的外径、内径去表征梁单元文件参数中的面积、沿x轴截面惯性矩以及沿y轴截面惯性矩，但是能采用通用梁单元去建模，且能通过施加于梁端点i和j的两个集中质量单元去调整有限元模型的质量参数，使在商业软件中所建有限元模型的质量参数与梁单元文件中所列参数一致，参见附图9：节点i：位于z1位置；节点j：位于z2位置；通用梁单元：在节点i与节点j之间建立通用梁单元，通用梁单元的是通过自定义截面参数进行建模，其自定义截面输入参数如下：集中质量单元：在节点i和节点j位置建立集中质量单元，集中质量单元的输入参数计算公式如下：（1）位于节点i处的集中质量单元输入参数：
（2）位于节点j处的集中质量单元输入参数：其中各参数的含义如下：梁单元文件参数能转化自定义单元iii，即：商业软件中建模，既不能通过前述规则梁单元进行建模，也不能通过自定义单元i和自定义单元ii进行表征时，采用通用梁单元去建模，只能通过施加于重心位置k的集中质量单元去调整有限元模型的质量参数，使在商业软件中所建有限元模型的质量参数与梁单元文件中所列参数一致，参见附图10：节点i：位于z1位置；节点j：位于z2位置；节点k：重心位置g；通用梁单元：在节点i与节点j之间建立通用梁单元，通用梁单元的是通过自定义截面参数进行建模，其自定义截面输入参数如下：集中质量单元：在节点k位置建立集中质量单元，集中质量单元的输入参数如下：综上所述，核电主泵的梁单元模型构建方法主要可以包括如下步骤：
s1：将三维实体主泵结构转化为以参数表征的简化模型；s2：根据步骤s1所获取的参数形成以参数为表征的梁单元文件，形成简化模型；s3：将梁单元文件的参数转化为用于商业软件建模的建模参数；s4：根据建模参数构建核电主泵结构的梁单元模型。
55.如图2和图3所示，为了便于根据梁单元文件中的参数快速地获得用于商业软件建模的建模参数，本实施例还提供一种转化程序，以将梁单元文件中的参数转化为用于商业软件建模的建模参数的计算过程程序化，以便于直接输出用于商业软件建模的建模参数。
56.在上文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
57.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。