1、收稿日期： -年 -月 -日 基金项目： 1.国家科技支撑计划项目（编号： 2015BAF27B01）； 2.四川省科技计划项目（编号： 2014GZ0128） 作者简介 :蒙林涛（ 1992 ），男，硕士，现主要从事核设备抗震分析工作 E-mail： *通信联系人 ：殷勤（ 1990 ），女，博士，现主要从事机械振动分析。 E-mail： 核反应堆 驱动机构外套筒对整机抗震性能的影响 蒙林涛 1，殷 勤 1*，文 豪 2，谢罗峰 1， 殷国富 1 (1.四川大学制造科学与工程学院， 四川 成都， 610065； 2.西南交通大学，成都， 610031) 摘要 ： 安全棒驱动机构是核反应
2、堆的重要组成部分，其抗震性能是反应堆安全性评价中的重要指标 。在设计初期预知地震载荷下的应力分布情有助于提高该机构的高抗震性能。 针对某型安全棒驱动机构的设计特征 ,建立了一种基于反应谱原理的 驱动机构外套筒 抗震性能分析模型。 基于国内外相关抗震设计标准确定地震反应谱，通过分析实际工况的载荷分布 情况，确定了模型的边界条件， 通过对驱动机构整机 、单独内部机构 与外套筒 三种模型 的分析计算，获得了相同载荷及边界条件下的 三种模型各自的应力分布。再根据三种模型的特点创建了具有代表性的节点路径，通过提取路径上的应力分布并进行对比，清楚反应出该三种不同模型的应力分布情况， 研究了外套筒对控制棒驱
3、动机构抗震性能的影响。分析结果表明 外套筒的结构参数直接决定驱动机构整机的抗震性能 ;外套筒可有效减小内部机构在地震载荷作用下产生的应力 ;整机外套筒上应力分布情况 与整机 内部机构 应力分布 情况 基本一致 ;单独的外套筒与整机的外套筒应力分 布趋势一致。 这种分析技术可用于在结构设计初期对驱动机构抗震性能设计是否合理进行核算评价。 这样可以有效提高设计效率，降低地震载荷带来的风险。 关键词 ：安全棒，驱动机构，抗震分析，反应谱法 中图分类号： TL48;TM623 文献标识码： A Influence of the Outer Sleeve on the Anti-seismic Char
4、acteristic of Nuclear-Fuel-Safety-Rod-Driving Mechanism Meng Lintao1, Yin Qin, Wen Hao, Xie Luofeng, Yin Guofu （ 1.Sichuan University, Chengdu, 610065, China; 2.Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031, China） Abstract： Nuclear-fuel-safety-rod-driving mechanism is an important part of the nucl
5、ear reactor and its seismic characteristic is a very critical parameter in safety evaluation. In the preliminary design stage, simulating the distribution of stress under seismic load is helpful to improve its seismic characteristic. To ensure that the nuclear fuel safety rod driving mechanism funct
6、ions safely and reliably in the whole longevity, the seismic analysis was carried out at the level of preliminary design. First, the model of nuclear-fuel-safety-rod-driving mechanism was simplified based on the parameter settings. Second， the seismic response spectrum was ensured, referring to dome
7、stic and overseas seismic fortification criterion， and then the practical condition was analyzed and it was converted to boundary condition in finite element model. The stress distribution of the whole mechanism and the outer sleeve and the single internal structure were calculated and compared. And
8、 the influence of the outer sleeve on seismic characteristic was studied. The typical node paths were constructed based on the features of three models. Compared with the extracted stress from the node paths, the difference of stress distribution of three models was obviously obtained. The results i
9、ndicating that directly analyzing the stress distribution of the outer sleeve could evaluate the rationality of the whole mechanism. The results illustrated that the outer sleeve can efficiently reduce the stress of internal structure under seismic load, the stress distribution of the outer sleeve i
10、s nearly the same with the whole internal structure, and the stress distribution of the single outer sleeve is nearly the same with the outer sleeve, which is of great reference value to the engineering design. By this way, the efficiency of design would be enhanced and the risk would be reduced. Ke
11、ywords： Safety rod, Driving mechanism, Seismic analysis, Response spectrum method 1 引言 21 世纪 随 着世界工业的飞速发展 ，人类对能源的需求越来 越 大， 全球 都处于能源危机的阴影中。 大力 发展核电是 人类 应对 能源危机的有效途径 ，同时通过 核能发电可 大力减少温室气体排放 。我国处于 地震多发地带， 在 核电厂设计建造阶段必须保证 做到“ 小震正常运行，大震安全停 堆 ”1。 对 核电厂的关键部件的抗震分析 是 必不可 少 的 。 刘彦辉 2等针对某跨海桥梁，根据相似比 110： 的比例制作桥梁
12、单墩抗震试验模型，通过振动试验台对其进行了抗震性能研究。得到了该桥梁在地震状态下的相关性能参数。姚令侃 3通过分析“ 5.12”汶川地震灾害现象的分析提出了线路工程抗震技术需要面对的几个新的课题。为线路工程抗震技术研究的进程提出了新的方向。张社荣 4通过建立三维有限元模型，采用时域分析法对混凝土重力坝整体进行了抗震及破坏特性分析。得出了大坝的抗震性能相关参数。 白文婷 5等选取了大量国内外地震记录，通过概率统计的方法将数据整合，同时参考 国外RG1.60 谱 得出了国标中抗震标准谱的修正建议值； 兰麒，胡雯婷 6介绍了等效静力法和反应谱法的分析过程，并对两种方法得出的结果进行了对比，分析了两种
13、方法各自的优劣，对不同工况下抗震方法的选择提供了依据； 谭忠文 7等人提出了将大型复杂组合结构分解成为各个子结构，然后加以相关约束后进行模态分析，针对不同子结构的不同频率分别应用等效静力法或反应谱法进行抗震分析，从而得到整体结构在地震载荷下的应力分布，并进行强度评估； 王明弹 8对核电厂安全壳进行了有限元建模，分析了其在 SSE 工况下的应力，变形，位移等地震反应情 况。并进行了强度评估。孙磊 9等对试验快堆控制棒驱动机构进行了线性抗震试验。得到相关抗震性能报告。倪永军 10对国内外主要抗震规范进行了比较研究，提出了对响应标准的分析与见解。焦安亮 11通过对劲性装配式框架核心筒进行 13： 的
14、缩尺模型振动台试验，验证了在地震条件下该机构关键位置的可靠性。 核燃料 安全棒 是发生 突发情况 时 ，核反应堆安全停堆 的 重要保障 ， 因此 对核燃料安全棒 驱动机构的抗震分析具有重大 的理论与工程意义 。 本文考虑其实际工况，合理简化 模 型后 ， 依据 其真 实边 界 条件 通 过Workbench17.0 对其进行了反应谱法的抗震性能分析。通过合理建立路径，提取各部分应力分布情况。通过应力分布曲线对比，明确了外套筒对该机构整体抗震性能的影响 。同时证明了在设计初期可通过单独对外套筒进行抗震分析来预知整体抗震情况。 2 基于 反应谱 原理的设计方法 目前 对 设备的抗震分析方法主要有等
15、效静力法、反应谱法 和 时 程 法。其中 等效静力法计算最为简单，但是所得结果 过于保守 ； 时程法 所 得到的结果最为接近真实值，但是 计算 难度很大 ，在实际大型工程中实施难度太大 ； 反应谱法则是基于模态结果，采用折算 加速度 作为 地震力的特征进行计算 ，这种方法计算较为简单，计算量小 ，所得结果比等效静力法更贴近真实值，比时程法更加保守 因而目前工程实践 中 广泛应用这种方法 6。 2.1 反应谱分析 方法 反应谱分析是一种频域分析，其输入载荷为振动载荷的频谱，常用的频谱加速度，也可以是速度频谱和位移频谱。 反 应谱分析从频域的角度计算结构的峰值响应。 载荷频谱被定义为响应幅值与频率
16、的关系曲线，响应谱分析计算结构各阶振型在给定的载荷频谱下的最大相应，这一最大响应系数和振型 的乘积，这些振型最大响应 通过相关方法组合在一起就得 出了结构的总体响应 。 2.2 基于 反应谱 的抗震 设计 方法 参照 GB50267-97核电厂抗震设计规范，安全棒驱动控制机构属于类物项 ，类物项应同时采用运行安全地震 震动（ OBE）和极限安全地震 震动 （ SSE）震动进行抗震设计。 但由于 OBE 与 SSE 在工程实践中存在矛盾，美国相关设计已经取消了OBE12。而 本文主要探究的是在地震工况下外套筒对内部机构的影响，极限安全地震 震动 （ SSE）峰值加速度远大于运行安全 地震震动（
17、OBE）的峰值加速度，加之篇幅有限，所以本文仅对极限安全地震震动（ SSE）下的情况进行分析。 该标准中 规定 设计地震震动参 数应包括两个水平向和一个竖向的设计加速度峰值； 两个水平向的设计加速度峰值应采用相同数值，竖向设计 加速度峰值应采用水平设计加速度峰值的 2/3；同时安全棒控制驱动机构属于设备类，按照该标准应在极限安全地震震动 (SSE)下阻尼为 4%。 根据该核电站建设实际位置，通过与设计方公司讨论后决定去水平 加速度 峰值为 0.3g，竖直 加速度 峰值 为 0.2g。该地区属于 硬土 场地。对 该相应标准 中给出的基岩场地标准反应谱按商定加速度峰值进行调整后得到其地震反应谱如图
18、 2.1 所示 ： 图 2.1 SSE 地震反应谱 Fig2.1 SSE Response spectrum 3 安全 棒 驱动机构 抗震 分析 为了 更 精确的分析出外套筒对整个安全棒 驱动机构的影响，先将整体按照设计给定要求输入边界条件进行抗震分析，然后在同样的边界条件下对外套筒进行 和内部机构分别进行 单独分析，最后将两种分析结果进行对比。 3.1 模型建立 核燃料 安全 棒 驱动机构外观为一根十多米长的阶梯圆柱形细长部件，本文主要探究外套筒对整个模型的影 响，为了使结果更据普遍性，将套筒内部机构简化为保留基本外形的 杆件，通过杆件顶部法兰与外套筒链接，材料选用 1Cr18Ni9Ti。
19、按照设计要求对整体进行 抗震分析时在 A、 B、 C 三处加入固定约束， 具体位置如图 3.1 所示 。为确保变量的单一性，单独分析外套筒和单独分析内部机构时也在同一位置加上相同约束 。 图 3.1 三维模型及其约束 Fig 3.1 3-D Model and constraints 3.2 抗震分析与强度校 核 首先 对上述 3 种模型进行模态分析， 其结果 如表 3-1 所示 表 3-1 截断频率（ 33Hz）前模态分析结果 Tab.3-1 Result of modal analysis before cutoff-frequency(33Hz) (a)整体 模态（ Hz） (a) Wh
20、ole mechanism modal 模 频率 有效参与质量所占比例 态 X 向 Y 向 Z 向 1 5.031 0.27 0.42E-07 0.24 2 5.032 0.241 0.51E-06 0.27 3 7.95 0.12E-02 0.51E-10 0.17E-01 4 7.97 0.17E-01 0.18E-10 0.12E-02 5 26.51 0.25E-01 1.00E-10 0.26E-02 6 26.56 0.26E-02 0.13E-09 0.25E-01 7 32.01 0.45E-01 0.72E-08 0.45E-04 8 32.05 0.45E-04 0.49E
21、-07 0.49E-01 总计 0.602 6.08E-07 0.605 (b)内部机构模态 (b) Internal organization modal 模态 频率 (Hz) 有效参与质量所占比例 X 向 Y 向 Z 向 1 4.28 0.55 0.69E-11 0.37E-02 2 4.28 0.37E-02 0.23E-11 0.55 3 4.98 0.11E-01 0.93E-09 0.14E-03 4 5.08 0.14E-03 0.18E-09 0.11E-01 5 17.06 0.16E-01 0.22E-09 0.99E-04 6 17.22 0.99E-04 0.12E-1
22、4 0.16E-01 7 24.79 0.27E-01 0.67E-08 0.79E-02 8 24.91 0.79E-02 0.90E-10 0.27E-01 9 32.08 0.31E-02 0.15E-09 0.13E-03 10 32.39 0.13E-03 0.15E-10 0.31E-02 总计 0.609 8.29E-09 0.609 (c)外套筒模态 (c) Outer sleeve modal 模态 频率 (Hz) 有效参与质量所占比例 X 向 Y 向 Z 向 1 7.819 0.29 0.27E-08 0.48E-01 2 7.831 0.48E-01 1.00E-08 0
23、.29 3 9.330 0.21E-01 0.15E-08 0.29E-01 4 9.365 0.29E-01 0.27E-10 0.21E-01 5 31.54 0.64E-01 0.47E-09 0.13E-01 6 31.61 0.13E-01 0.65E-08 0.64E-01 总计 0.465 2.12E-08 0.465 模态分析结果显示 ： 1、 整 体、单独的内部机构和单独的外 套筒的首阶固有频率均远低于 33Hz， 抗震计算中 应采用反应谱法进行抗震分析 4。 2、 截断频率（ 33Hz）之前的各界模态参与质量均之和均小于 90%，在用 响应谱 法计算时应进行静力修正 6。
24、模态分析完成后以模态分析结果为基础，输入 X、 Y、 Z 三个方向（ X、 Z 为水平方向， Y 为竖直方向）反应谱进行抗震计算，计算过程中采用 SRSS(平方根法 )进行模态组合 。 提取其 Tresca 应力 结果如图 3.2 所示 ， 地震条件下子结构最大应力及应力极限值如表 3-2 所示(a)整体的外套筒 (b)整体的内部机构 (c)单独的外套筒 (d)单独的内部机构 图 3.2 应力分布图 Fig3.2 Stress distribution 表 3-2 地震条件下子结构最大应力及应力极限值 /MPa Tab.3-2 Maximum value and the limit value
25、 of following structure under earthquake 结构名称 最大应力 应力限值 整体的内部机构 28.647 116 整体的外套筒 45.108 单独的内部机构 48.398 单独 的 外套筒 40.709 由 表 3-2 可得整体 的内部机构 最大应力为 28.573MPa； 整体的外套筒 最大应力为42.298MP ； 单独的内部机构最大应力为48.398MPa; 单独 的 外 套 筒 最 大 应 力 为35.478MPa。参考 GB50267-97 中对类部件的要求 1 以及 ASME 标准 13 中1Cr18Ni9Ti 的 在工作温度下的相关应力标准，其
26、应力极限值为 116MPa， 该机构没有超过应力极限值，在地震载荷下能够保持结构完整性。 4 外套筒对整机抗震性能的影响分析 该机构 为对称的圆柱体（对称轴与竖直的 Y 轴平行），其应力分布在相同的圆周上基本相同， 因此 我们沿着 Y 轴 ， 从顶部 到底部 建立 竖直的 路径 （如图 4.1 示 ） ，这条路径上的应力分布情况基本可以反应出 整个机构 的应力分布情况。然后将各部件的沿相同路径上提取出的应力进行对比 (如图 4.2 所示 )。 图 4.1 路径的建立 Fig4.1 Build path (a)内部机构应力分布对比 (a)Contrast of the stress of int
27、ernal organization (b)外套筒 应力分布对比 (b) Contrast of the stress of outer sleeve （ c）整体的外套筒和与内部机构应力对比 (c) Contrast of the stress of outer sleeve and internal organization 图 4.2 应力分布趋势对比 Fig4.2 Contrast of the distribution trend of stress 应力 分布趋势的计算结 果显示 ： (1)单独的内部结构 和整体的内部机构应力变化趋势基本相同，整体的内部机构危险截面处应力远小于单独
28、的内部机构。 (2)单独的外套筒的应力趋势与整体的外套筒应力分布趋势基本相同。 (3)整体的外套筒与整体的内部机构应力分布趋势基本相同。整体外套筒危险截面应力大于整体的内部机构。 5 结论 安全棒 是 核电厂安全的最后一道保障，所以其抗震分析尤为重要。本文分别分析了核燃料安全棒驱动机构整体、内部组件和外套筒在地震下的应力情况，通过对比可得出以下结论： （ 1） 安全 棒驱动机构属于抗震 I 类设备 ，且 其 首阶 固 有频 率的 模态 计 算值 小 于33Hz， 论文采用反应谱法进行抗震计算，并采用较为保守的 Tresca 应力进行评价。 （ 2） 分别建立了驱动机构与外套筒子结构系统的有限元
29、模型 ， 并对各子结构系统及两者组合结构系统进行抗震谱分析 。 （ 3） 基于所建立有限元模型 ， 在代表性位置创建了对应的节点路径 ， 提出了通过路径应力分布对结构抗震性能的评价方法 ； （ 4） 节点路径应力分布 显示 ： 外套筒的应力分布较大程度上体现了组合结构的抗震性能，组合结构系统中外套筒的结构设计对其抗震性能具有显著影响。 参考文献 1 97 G B. Code for seismic design of nuclear power plants SD. , 1997. 97 G B. 核电厂抗震设计规范 SD. , 1997. 2 LIU Yanhui, TAN Ping ,CU
30、I Jie, ZHOU Fulin, HUANG Xiangyun. Experimental Study of Dynamic Response of Seismic and Isolated Continuous Girder Bridge Under EarthquakeJ. JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY: ENINEERING SCIENCE EDITION, 2015 (2): 50-56. 刘彦辉 , 谭平 , 崔杰 , 等 . 地震作用下抗震与隔震连续梁桥动力响应试验研究 J. 四川大学学报 : 工程科学版 , 2015 (2): 50-56. 3
31、YAO Ling-kan, CHEN Qiang. New Research Subjects on Earthquake Resistant Techniques of Line Engineering Extracted from “5 12” Wenchuan EarthquakeJ. JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY: ENINEERING SCIENCE EDITION, 2009 (3): 43-50. 姚 令侃 , 陈强 . “5 12” 汶川地震对线路工程抗震技术提出的新课题 J. 四川大学学报 : 工程科学版 , 2009 (3): 43-50. 4
32、 ZHANG She-rong, YU Xiang-rong, WANG Gao-hui, WANG Chao. Anti-seismic and Failure Characteristics Analysis of Integral Concrete Gravity DamJ. JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY: ENINEERING SCIENCE EDITION, 2012, 44(6): 34-39. 张社荣 , 俞祥荣 , 王高辉 , 等 . 混凝土重力坝整体抗震及破坏特性分析 J. 四川大学学报 : 工程科学版 , 2012, 44(6): 34-39.
33、 5 Bai Wenting, Feng Guozhong. Suggested Correction of Standard Response Spectrum Code for Seismic Design of Nuclear Power PlantsJ. Nuclear Power Engineering, 2015, 36(4): 45-48. 白文婷 , 冯国忠 . 核电厂抗震设计规范标准谱的修正建议值 J. 核动力工程 , 2015, 36(4): 45-48. 6 Lan Qi, Hu Wenting. Application of Equivalent Static Meth
34、od and Spectrum Analysis Method in Equipment in Equipment Seismic AnalysisJ. Nuclear Power Engineering, 2014 (S1): 145-148. 兰麒 , 胡雯婷 . 等效静力法和谱分析法在设备抗震分析中的应用 J. 核动力工程 , 2014 (S1): 145-148. 7 TAN Zhong-wen, WANG Hai-tao, HE Shu-yan. Research on seismic analysis method of large joint structures in nucl
35、ear power plant using finite element methodJ. Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering, 2008, 28(2): 188-192. 谭忠文 , 王海涛 , 何树延 . 核电厂大型组合结构的有限元抗震分析方法研究 J. 核科学与工程 , 2008, 28(2): 188-192. 8 WANG Ming-dan,LING Yun, WANG Xiao-wen, XIA Zu-feng. Seismic Analysis of Containment With Hemisphere Dome
36、 for Advanced Nuclear Power PlantJ. Atomic Energy Science and Technology, 2008, 42(S): 401-406. 王明弹 , 凌云 , 王晓雯 , 等 . 先进核电厂半球顶安 全壳抗震分析 J. 原子能科學技術 , 2008, 42(S): 401-406. 9 SUN Lei, YANG Hong-yi, CHEN Xue-de, SONG Qing, LI Tian-yong, LI Xi-hua, LI Peng-zhou, WEN Jing. Seismic Test Research of Control
37、Rod Drive Line for China Experimental Fast ReactorJ. Atomic Energy Science and Technology, 2008, 42(S): 422-425.孙磊 , 杨红义 , 陈学德 , 等 . 中国实验快堆控制棒驱动线抗震试验研究 J. 原子能科學技術 , 2008, 42(S): 422-425. 10 NI Yong-jun, LU Xing-ji, JIANG Hui, YANG Qing-shan, ZHAO Bo-ming, ZHU Xi. Comparing design earthquake actions
38、of long-span girder bridge in high-speed rail with those specified in major codes of codes of China and Foreign countriesJ. JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK, 2016, 35(4): 72-80. 倪永军 , 陆星吉 , 江辉 , 等 . 高铁大跨桥梁设计地震作用与国内外主要抗震规范的比较研究 J. 振动与冲击 , 2016, 35(4): 72-80. 11 JIAO An-liang, Li Zheng-liang. Experiment
39、al study on seismic behaviors of precast frame-core tube structuresJ. JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK, 2016, 35(2): 31-38.焦安亮 , 李正良 . 劲性装配式框架核心筒结构抗震性能试验研究 J. 振动与冲击 , 2016, 35(2): 31-38. 12 Qin Feng. On Seisimc Design Spectra for Nuclear Power PlantsD. Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, 2011. 覃锋 . 核电厂抗震设计谱研究 D. 中国地震局工程力学研究所 , 2011. 13 2004 A. STATEMENT OF PERMISSION TO TRANSLATE AND REPRODUCE PORTIONS OF THE 2004 ASME NUCLEAR POWER CODES & STANDARDSsD.2004 A. 锅炉及压力容器规范国际性规范 II 材料 sD.
