CAE在第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化中的典型應(yīng)用案例

2013-07-24 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓(xùn)中心來源:仿真在線

0 引言

大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專項(xiàng)是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》確定的16個(gè)國家重大科技專項(xiàng)之一,也是我國建設(shè)創(chuàng)新型國家的標(biāo)志性工程之一.按照黨中央、國務(wù)院的戰(zhàn)略決策,該重大專項(xiàng)的目標(biāo)是在消化、吸收和全面掌握我國引進(jìn)的第三代核電AP1000先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上,通過再創(chuàng)新開發(fā)形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的、功率更大的大型先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)品牌.

2006年12月,我國決定引進(jìn)具有國際領(lǐng)先水平的美國AP1000第三代核電技術(shù),并在浙江三門和山東海陽進(jìn)行自主化依托項(xiàng)目建設(shè).與第二代核電技術(shù)相比,第三代核電在國產(chǎn)化過程中不僅將對國家的裝備制造業(yè)產(chǎn)生長遠(yuǎn)影響,而且在技術(shù)引進(jìn)過程中,美國西屋電氣公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)尤其是核電設(shè)備CAE分析技術(shù)必將使我國的核電研發(fā)設(shè)計(jì)能力大幅提升.廣州核工程研究設(shè)計(jì)院作為承擔(dān)第三代核電技
術(shù)引進(jìn)消化吸收和再創(chuàng)新重任的國家核電技術(shù)公司的核心單位,通過對AP1000技術(shù)的消化和吸收,在核電設(shè)備CAE分析技術(shù)方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn),逐漸明確核電設(shè)備CAE分析技術(shù)在第三代核電國產(chǎn)化中的任務(wù)和方向.

1 我國核電設(shè)備CAE 分析技術(shù)方案的經(jīng)驗(yàn)積累

從20世紀(jì)90年代起,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,CAE技術(shù)逐漸成為工程應(yīng)用的主要工具之一.在核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域,從20世紀(jì)90年代后期CAD技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的手繪圖紙;2000年以后,三維CAD技術(shù)逐漸取代二維設(shè)計(jì),大大提升工程設(shè)計(jì)的效率.與CAD技術(shù)給設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來的變革相呼應(yīng),CAE分析技術(shù)也在核電設(shè)備的分析驗(yàn)證中得到充分應(yīng)用和發(fā)展.

在20世紀(jì)80年代之前,國內(nèi)的核電設(shè)計(jì)基本依靠試驗(yàn)驗(yàn)證的方法確保核電設(shè)備的安全并開展對各種復(fù)雜工況的研究.在秦山一期核電站的建設(shè)過程中,廣州核工程研究設(shè)計(jì)院聯(lián)合各科研院所先后建立零功率試驗(yàn)、反應(yīng)堆模擬體水力與流致振動試驗(yàn)以及燃料組件水力試驗(yàn)等22個(gè)裝置,并應(yīng)用和改建原有的核科技設(shè)施進(jìn)行400多項(xiàng)科研試驗(yàn),結(jié)合大量的理論分析工具和自編有限元程序,有效地保證設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和工程建設(shè)的順利進(jìn)行,奠定我國核電自主設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).

20世紀(jì)80年代末,大型計(jì)算機(jī)在我國開始應(yīng)用到核電領(lǐng)域.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,ANSYS等CAE分析軟件在抗震分析和強(qiáng)度計(jì)算方面逐漸取代部分試驗(yàn),成為設(shè)備驗(yàn)證的主要工具.在熱工水力分析方面,也逐漸應(yīng)用FORTRAN和C等語言自編大量的分析程序.1998年,秦山一期核電站在第四次大修時(shí)發(fā)現(xiàn)堆內(nèi)構(gòu)件部分損壞,為完成修復(fù)工作,廣州核工程研究設(shè)計(jì)院會同西屋電氣公司采用計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,CFD)分析技術(shù)對堆內(nèi)流場分布進(jìn)行初步分析.2000年以后,在巴基斯坦恰希瑪核電項(xiàng)目中,核電設(shè)備采用以詳細(xì)應(yīng)力分析、載荷組合、熱工流體分析和應(yīng)力評定為基礎(chǔ)的“分析法設(shè)計(jì)”方法進(jìn)行設(shè)計(jì).CAE分析技術(shù)在國內(nèi)核電設(shè)備設(shè)計(jì)過程中得到進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展,并完成核電廠承壓設(shè)備“分析法設(shè)計(jì)”軟件系統(tǒng)和平臺.

2 AP1000技術(shù)中設(shè)備CAE分析技術(shù)的應(yīng)用

AP1000技術(shù)是西屋電氣公司在總結(jié)整理第二代核電技術(shù)并創(chuàng)新完成的AP600技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,它充分吸收CAE技術(shù)在核電設(shè)備設(shè)計(jì)過程中的作用,最大限度地應(yīng)用CAE分析技術(shù),降低研發(fā)過程中的成本,使CAE分析技術(shù)在核電設(shè)備特別是主設(shè)備中的應(yīng)用得到更廣闊的發(fā)展.AP1000反應(yīng)堆壓力容器應(yīng)力分布見圖1.

CAE在第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化中的典型應(yīng)用案例ansys分析案例圖片1
圖1 AP1000反應(yīng)堆壓力容器應(yīng)力分布

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,AP1000技術(shù)中的核安全相關(guān)設(shè)備都有相應(yīng)的分析報(bào)告支持,ANSYS 和GTSTRUDL等許多結(jié)構(gòu)分析軟件被廣泛應(yīng)用到載荷分析、抗震分析以及安全裕度評估等工作中.在熱工水力方面,CFX和FLUENT等商業(yè)化CAE分析軟件逐漸取代各種專用軟件,成為流場分析和溫度場分析的主要工具.同時(shí),西屋電氣公司借助商業(yè)軟件平臺,自行研發(fā)多種專用的分析程序,拓展和延伸CAE在核電設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.

3 CAE分析技術(shù)在第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化過程中的三大任務(wù)

第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化以及核電技術(shù)路線的統(tǒng)一是國家能源政策的重要布局之一.第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化的過程是大幅提高我國裝備制造業(yè)水平的重要契機(jī),在確保核設(shè)備安全性的同時(shí)努力降低設(shè)備造價(jià)、縮短研發(fā)周期,就要在設(shè)備設(shè)計(jì)過程中大
量應(yīng)用CAE分析技術(shù).參考AP1000核設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,CAE分析技術(shù)在第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化過程中主要有3大任務(wù):

(1)為設(shè)計(jì)提供多種參考,保證概念設(shè)計(jì)的最優(yōu)化.在消化吸收AP1000后,為實(shí)現(xiàn)大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專項(xiàng)CAP1400設(shè)計(jì)的最優(yōu)化,應(yīng)采用
CAE技術(shù)進(jìn)行概念設(shè)計(jì),及時(shí)剔除不合理的設(shè)計(jì)方案以確保概念設(shè)計(jì)的最優(yōu)化,并提高設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性.
(2)逐漸取代成熟設(shè)計(jì)的試驗(yàn)驗(yàn)證,為設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理性提供支持依據(jù).在核電工程設(shè)計(jì)中,很多設(shè)備依據(jù)之前的設(shè)備設(shè)計(jì)沿用而來,核電抗震技術(shù)在CAE中已經(jīng)比較成熟,因此多數(shù)設(shè)備可以直接用CAE中的抗震分析取代試驗(yàn)驗(yàn)證.
(3)建立協(xié)同仿真設(shè)計(jì)分析平臺,為設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供優(yōu)化方案,大幅降低試驗(yàn)造價(jià).如針對反應(yīng)堆輻照監(jiān)督管結(jié)構(gòu)失效原因,通過流場、流致振動及磨損機(jī)理等方面的分析找出多方面原因,提供優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,形成改造后結(jié)構(gòu)的優(yōu)化形式,并通過分析和
評定滿足相關(guān)規(guī)范要求.設(shè)計(jì)—分析—完整性評價(jià)系統(tǒng)見圖2.其中,如果沒有要求,則可省略試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié).

CAE在第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化中的典型應(yīng)用案例ansys結(jié)果圖圖片2

圖2 設(shè)計(jì)—分析—完整性評價(jià)系統(tǒng)

為驗(yàn)證核電設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性,必須對核安全相關(guān)的主設(shè)備進(jìn)行必要試驗(yàn),以驗(yàn)證設(shè)計(jì)分析結(jié)果的可靠性.以堆內(nèi)構(gòu)件為例,為確保堆內(nèi)構(gòu)件能實(shí)現(xiàn)較好的堆芯流量分
配以及防止與降低流致振動危害,在設(shè)計(jì)時(shí)采用CFD仿真計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),形成仿真虛擬產(chǎn)品.在此基礎(chǔ)上,將優(yōu)化產(chǎn)品進(jìn)行模型縮比,并通過縮比模型的水力模擬和流致振動試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.采用CFD技術(shù)完成的反應(yīng)堆內(nèi)流場分布見圖3.

CAE在第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化中的典型應(yīng)用案例ansys結(jié)構(gòu)分析圖片3

反應(yīng)堆內(nèi)流場分布

4 結(jié)束語
在充分吸收AP1000設(shè)備設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,CAE分析技術(shù)在第三代核電設(shè)備國產(chǎn)化過程中將不斷完善結(jié)構(gòu)抗震、瞬態(tài)疲勞以及結(jié)構(gòu)跌落等CAE分析的計(jì)算方法,提升核電設(shè)備CAE分析的精確性,并通過CAE仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法,逐漸降低試驗(yàn)驗(yàn)證的比重、提升設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本,進(jìn)一步推動CAE分析技術(shù)在核電設(shè)備分析領(lǐng)域的應(yīng)用.

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