一种燃料组件动态特性模拟装置及其模拟方法与流程

本发明涉及反应堆工程设计领域，具体地，涉及一种燃料组件动态特性模拟装置及其模拟方法。

背景技术：

在反应堆工程设计中，控制棒驱动线在设计定型前应进行抗震试验研究，以确保在安全停堆地震期间控制棒驱动线能够实现停堆功能。

在某反应堆中，控制棒导管周边布置有燃料组件，在地震载荷作用下，燃料组件会与控制棒导管发生碰撞现象，为了在试验中模拟周围燃料组件对控制棒导管的影响，在抗震试验中根据实堆的布置方式在控制棒导管周边布置6组燃料组件。

该反应堆燃料组件外轮廓为正六边形，燃料组件包括多层同心燃料管、内套管和外六方内圆的外套管，各层同心套管间为水隙。上接头为锥形结构，锥面部分开有流水孔，以减小上接头位置的压降，上接头上端径向留有凸台，供燃料组件吊装。下接头为圆柱体结构，上端与六边形外壳连接，构成燃料组件的支撑结构，下端插入下堆芯板开孔处，将燃料组件固定在堆芯规定位置。

由于真实燃料的放射性，抗震试验中通常不采用真实组件。在现有技术中，现有的燃料组件存在结构复杂、加工难度大、成本较高的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种燃料组件动态特性模拟装置及其模拟方法，解决了现有的燃料组件存在结构复杂、加工难度大、成本较高的技术问题，实现了模拟装置结构简单、加工方便、成本较低，能够准确模拟真实燃料组件的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请一方面提供了一种燃料组件动态特性模拟装置，所述模拟装置包括：外套管、下接头、配重块、螺钉，其中，外套管与下接头连接，外套管内通过螺钉固定有配重块。

外套管是外六边形内圆的薄壁铝管，其功能一方面保证模拟燃料组件的外形尺寸与真实组件外形尺寸一致，另一方面通过有限元分析进行设计优化确定铝管的壁厚参数以保证模拟组件的质量和横向刚度与真实组件一致。

下接头的功能是模拟燃料组件的安装，模拟件通过下接头安装在控制棒导管的周边。

其中，所述外套管的横截面外边缘为六边形，所述外套管的横截面内边缘为圆形。

其中，所述模拟装置与燃料组件的外形尺寸、质量、重心、横向刚度均一致。

其中，所述配重块具体为圆柱状，配重块包括前段部分、中段部分、后段部分，其中，中段部分尺寸与外套管内径尺寸匹配。

配重块是中间段直径大，上下端直径小的铜质圆柱体，功能是由中间段保证与外套管的装配尺寸，上下段的直径和长度根据有限元分析的设计优化确定，实现对真实组件的质量和重心、横向刚度等的精确模拟。

其中，所述外套管棱角线上开设有螺孔，螺钉为沉头螺钉。

配重块与外套管之间通过螺钉装配固定。螺钉开孔在外套管的棱角线上，采用沉头螺钉作为配重块与外套管的连接螺钉，既保证了配重块与外套管的连接强度，又保证螺钉头部不会突出外套管外表面。

本申请另方面提供了一种燃料组件动态特性模拟方法，所述方法包括：

步骤1：对燃料组件的动力特性进行计算，获得燃料组件在安装条件下的刚度特性和振动模态；

步骤2：基于燃料组件的外形尺寸、模拟装置与燃料组件的安装边界相同，设计出模拟装置初始模型；

步骤3：对模拟装置初始模型进行动力特性计算，找出模拟装置与燃料组件的差异；

步骤4：通过调整外套管厚度调节初始模型刚度，调整配重块的质量、形状和位置调节初始模型振动模态，最终使初始模型的动态特性与燃料组件动态特性的差异满足预定要求。

燃料组件动态特性模拟装置的设计模拟方法主要是通过对原型燃料组件的动力特性计算，获得其在安装条件下的刚度特性、振动模态，在基于外形尺寸和安装边界相同、内部结构简化的原则，设计出初始模型，对初始模型进行动力特性计算，找出两者的差异，通过调整简化模型外套管厚度调节其刚度，调整配重块的质量、形状和位置调节其振动模态。最终使简化模型的主要特性与燃料组件动态特性的差异达到预定要求。实现步骤如下：

1）确立以外套管、下接头、配重块和螺钉连接的简化结构模拟原型真实组件，以外形尺寸、安装边界与原型真实组件一致为基础，以横向刚度、组件质量和重心为指标参数的设计模拟技术路线；

2）对原型真实组件建立计算模型，通过有限元计算获得原型真实组件安装条件下的刚度特性和振动模态；

3）以第一条中确定的简化原则建立模拟件的初始计算模型，主要保证其外形尺寸和安装边界与原型真实组件一致，；

4）在计算机上通过有限元方法对初始计算模型进行动力特性计算，将结果与真实组件进行对比。

5）在计算机上对初始计算模型进行优化设计，通过调整初始计算模型的外套管厚度调节模型整体刚度，调整配重块的质量、形状和位置调节模型整体质量和重心。最终使简化模型的横向刚度、组件质量和重心等指标参数与真实组件的差异小于预定要求。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于真实燃料的放射性，抗震试验中通常不采用真实组件。本发明中只考虑燃料组件的外形尺寸、重量及重心高度和动态特性，无需考虑燃料组件内多层多层同心燃料管等结构，所以，有效解决了现有的燃料组件存在结构复杂、加工难度大、成本较高的技术问题，进而实现了模拟装置结构简单、加工方便、成本较低，能够准确模拟真实燃料组件的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中燃料组件动态特性模拟装置的结构示意图；

图2是本申请中配重块的结构示意图；

其中，1-外套管；2-配重块；3-螺钉；4-下接头。

具体实施方式

本发明提供了一种燃料组件动态特性模拟装置及其模拟方法，解决了现有的燃料组件存在结构复杂、加工难度大、成本较高的技术问题，实现了模拟装置结构简单、加工方便、成本较低，能够准确模拟真实燃料组件的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图2，本申请中实施例提供了一种燃料组件动态特性模拟装置，所述模拟装置包括：外套管1、下接头4、配重块2、螺钉3，其中，外套管与下接头连接，外套管内通过螺钉固定有配重块。

其中，在本申请实施例中，所述外套管的横截面外边缘为六边形，所述外套管的横截面内边缘为圆形。

其中，在本申请实施例中，所述模拟装置与燃料组件的外形尺寸、质量、重心、横向刚度均一致。

其中，在本申请实施例中，所述配重块具体为圆柱状，配重块包括前段部分、中段部分、后段部分，其中，中段部分尺寸与外套管内径尺寸匹配。

其中，在本申请实施例中，所述外套管棱角线上开设有螺孔，螺钉为沉头螺钉。

其中，在本申请实施例中，所述方法包括：

步骤1：对燃料组件的动力特性进行计算，获得燃料组件在安装条件下的刚度特性和振动模态；

步骤2：基于燃料组件的外形尺寸、模拟装置与燃料组件的安装边界相同，设计出模拟装置初始模型；

步骤3：对模拟装置初始模型进行动力特性计算，找出模拟装置与燃料组件的差异；

步骤4：通过调整外套管厚度调节初始模型刚度，调整配重块的质量、形状和位置调节初始模型振动模态，最终使初始模型的动态特性与燃料组件动态特性的差异满足预定要求。

燃料组件动态特性模拟装置主要由外套管、配重块、螺钉和下接头组成。通过焊接将外套管和下接头连接，通过螺钉将配重块安装固定在外套管中。

本发明具有结构简单、加工方便的特点。外套管材质与真实组件外套管材质一致，能够真实模拟其与周边设备的碰撞特性；采用铜质圆柱体作为配重块，铜材较高的比重和较低的硬度特性使配重块所需尺寸减小，降低了配重块与外套管的碰摩风险；在外套管的棱角线上，采用12个沉头螺钉作为配重块与外套管的连接螺钉，既保证了配重块与外套管的连接强度，又保证螺钉头部不会冒出外套管外表面；外套管与下接头采用焊接方式连接，保证了外套管与下接头之间的连接强度。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于真实燃料的放射性，抗震试验中通常不采用真实组件。本发明中只考虑燃料组件的外形尺寸、重量及重心高度和动态特性，无需考虑燃料组件内多层多层同心燃料管等结构，所以，有效解决了现有的燃料组件存在结构复杂、加工难度大、成本较高的技术问题，进而实现了模拟装置结构简单、加工方便、成本较低，能够准确模拟真实燃料组件的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。