[發明專利]一種考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法

無效

• 申請號: 201410075044.0
• 申請日: 2014-03-03
• 公開（公告）號: CN103886138A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 蔡利建;姚迪;王黎麗;李玉民;張超琦
• 申請（專利權）人: 中國核電工程有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙) 11311
• 代理人: 田明;任曉航

技術領域

本發明涉及一種核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，尤其涉及形狀不規則、液面凈空較小、地震作用下水與結構的相互作用較為明顯的水箱結構。

背景技術

核電廠對地震作用下的安全性有很高要求，尤其是核電廠中的水箱結構，在地震作用下，水箱中的水的晃動效應會對結構產生附加的內力響應，準確分析該內力響應，對核電廠水箱的設計具有重要的指導作用。

目前國際上已有的核電廠水箱結構設計中，水在地震作用下的晃動效應，通常通過以下兩種方法計算：（1）將水箱內的水轉化為集中質量固結于水箱墻體上，直接進行整體抗震分析，而忽略了水箱水的晃動參與質量、以及水-結構流固耦合作用的影響，計算結果偏于保守。（2）水對結構的作用分為晃動水和沖動水兩部分，根據經驗公式計算得到沖動水的參與質量，模擬質量點參與結構整體抗震分析。而局部的晃動力作用，通過經驗公式計算液面晃動高度的形式估算。此方法無法考慮晃動水對于水箱頂板的沖擊作用，因此不適用于水箱形狀復雜、水面凈空較小的情況。

發明內容

本發明的目的是克服目前國際上已有方法比較簡化、計算結果偏于保守、無法分析形狀復雜和水面凈空較小的水箱結構等問題，提供一種能夠充分考慮水和結構的相互作用，并且可應用于形狀復雜、水面凈空較小的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法。

本發明的技術方案如下：一種考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，包括如下步驟：

（1）根據核電廠外層安全殼及防護廠房的設計圖紙，建立與實際結構一致的三維有限元分析模型，其中，廠房墻體和水箱結構采用拉格朗日網格方式模擬，水箱中的水采用歐拉網格方式模擬；

（2）分別確定結構和水體的有限單元類型、材料特性及本構模型；

（3）確定流固耦合分析方法及水體與結構的接觸關系；

（4）確定地震作用荷載及邊界條件；

（5）采用顯示動力學分析方法進行求解，得到在地震作用下的結構響應；

（6）將得到的結構在地震作用下的內力響應用于結構配筋設計。

進一步，如上所述的考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，步驟（1）中采用ABAQUS有限元分析軟件建立三維有限元分析模型。

進一步，如上所述的考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，步驟（2）中，結構的有限單元類型為三節點殼單元和四節點殼單元，水體的有限單元類型為縮減積分歐拉單元；結構的混凝土材料采用線彈性材料模型，水體的材料特性為不可壓縮粘性流體。

更進一步，如上所述的考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，步驟（2）中，水的材料本構模型采用狀態方程的形式描述，狀態方程根據單位質量的內能增量等于應力總功率與熱功率的和的方式建立。

進一步，如上所述的考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，步驟（3）中，采用相容拉格朗日-歐拉法模擬流固耦合作用關系，水體與結構的接觸關系通過罰函數法實現，根據流體與結構的接觸力為罰函數力的反作用力，在計算接觸力的過程中通過不斷迭代，平衡流體與結構的相互之間的相對位移，求得每一時刻的流體與結構的接觸力。

進一步，如上所述的考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，步驟（4）中，所述的邊界條件為模型底部施加X，Y，Z三個方向加速度時程，分別代表地震作用在三個方向的分量，峰值加速度為0.3g。

進一步，如上所述的考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，步驟（5）中，采用顯式動力學求解器ABAQUS/Explicit對核電廠外層安全殼及防護廠房結構的地震響應進行計算分析，獲得結構和流體在地震加速度荷載作用下的結構位移時程、結構單元應力、結構單元內力、水的晃動效果時程、晃動高度、結構與流體的相互接觸力。

進一步，如上所述的考慮流固耦合的核電廠外層安全殼外掛水箱結構的抗震設計方法，步驟（6）中，結合Matlab程序化設計，首先，對結構單元的各個不同內力的時程提取各自的最大值；然后，進行單元內力最不利組合；最后，得到組合內力結果后，參考能源行業標準NB/T20012-2010《壓水堆核電廠核安全有關的混凝土結構設計要求》對結構進行配筋計算。

與現有的核電廠水箱結構抗震分析方法相比，本發明具有如下特點：

1、采用國際上得到廣泛認可的大型通用有限元分析軟件ABAQUS，模擬了整個核電廠外層安全殼及防護廠房結構的三維模型，結構模型具有真實性、準確性、和可靠性。