核科学技术论文_控制棒驱动机构运动分析及关键

文章目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作及课题来源

    1.3.1 主要工作

    1.3.2 课题来源

2 控制棒驱动机构运动过程分析

2.1 引言

2.2 控制棒驱动机构运动步骤分解

    2.2.1 提升控制棒

    2.2.2 下插控制棒

    2.2.3 释放控制棒

2.3 控制棒驱动机构FMA结构化分解

    2.3.1 元动作

    2.3.2 FMA结构化分解

    2.3.3 控制棒驱动机构FMA结构化分解

2.4 控制棒驱动机构运动受力分析

    2.4.1 电磁提升力

    2.4.2 流体阻力

    2.4.3 弹簧力

    2.4.4 提升负载及自身重力

2.5 本章小结

3 控制棒驱动机构运动过程流场仿真

3.1 引言

3.2 控制棒驱动机构流场仿真

    3.2.1 Fluent流体计算基本理论

    3.2.2 仿真计算模型的建立与网格划分

    3.2.3 边界条件的设置

    3.2.4 仿真结果与分析

3.3 基于动网格的流场仿真对比

    3.3.1 动网格技术

    3.3.2 边界条件设置

    3.3.3 仿真结果与分析

    3.3.4 差异原因分析与使用建议

3.4 本章小结

4 控制棒驱动机构运动过程动力学仿真

4.1 引言

4.2 控制棒驱动机构动力学仿真

    4.2.1 Adams多刚体动力学理论

    4.2.2 运动学仿真计算模型与设置

    4.2.3 仿真结果与分析

4.3 基于元动作的运动故障分析

    4.3.1 元动作故障模式分析

    4.3.2 运动过程故障位置确定

4.4 本章小结

5 控制棒驱动机构钩爪寿命分析及优化

5.1 引言

5.2 钩爪寿命分析与优化目标确定

    5.2.1 钩爪设计变量

    5.2.2 钩爪运动过程分析

    5.2.3 钩爪力学分析

    5.2.4 钩爪寿命分析与优化目标确定

5.3 钩爪寿命优化的变量确定与试验设计

    5.3.1 基于试验设计矩阵的钩爪优化变量确定

    5.3.2 钩爪寿命优化模型的建立

    5.3.3 基于试验设计的钩爪寿命优化模型样本点生成

5.4 基于近似模型的钩爪寿命优化

    5.4.1 钩爪寿命优化近似模型的建立

    5.4.2 基于近似模型的钩爪寿命优化设计

5.5 钩爪优化变量对优化目标的敏感性分析

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目及取得的科研成果

致谢

文章摘要:控制棒驱动机构是第三代压水型反应堆系统控制与安全防护的重要组成部分,其通过驱动控制棒的直线移动,使控制棒按照操作人员的指令进行提升、下降、保持或快插动作,从而控制反应堆的启停,并实现对反应功率的调节。在第三代核电技术的基础上研发新型控制棒驱动机构,需要对现有驱动机构进行全面、系统的分解,确定其结构组成、受力状况、运动属性等信息,并以此推断其可能的故障模式与进一步优化的方向。目前,对于驱动机构的研究仅停留于系统层面,缺乏有效的层次分解。并且在进行受力研究时,往往聚焦与单个力的性质,忽略了对整体受力的统一研究。在对驱动机构进行流场和动力学仿真时,选取的时间点单一,不能很好的覆盖全部运动过程。而在故障分析和结构优化方面,现有研究多采取物理试验和经验判断的方式进行,缺少一套系统的方法和流程,且需要耗费较大的时间和成本。因此,分解系统结构、考虑运动全局、建立规范流程在新型驱动机构的研发过程中是重要的研究内容。针对新型控制棒驱动机构在研发过程中的仿真分析、故障判断以及结构优化等问题,本文开展了以下四个方面的研究工作:（1）以磁力型第三代核电控制棒驱动机构为对象,分析了其在实现反应功率调节和紧急停堆功能时各零部件的协作形式与运动步骤。基于FMA结构化分解理论对驱动机构在功能—运动—动作三个层次的结构进行了分解,得到了6组独立的元动作单元。以提升衔铁为例,分析了其在运动过程中各项受力的形成方式与力学属性。（2）以磁力型第三代核电控制棒驱动机构的几何结构为基础,建立了驱动机构的流场仿真模型以及仿真计算流程。以驱动机构不同元动作关键节点的流场状态为研究对象,在Fluent软件中分别采用来流法和动网格法展开了仿真分析,得到了对应的流体阻力和流场状态。分析了两种方法分析结果的差异及产生的原因,并给出了具体的使用建议。（3）以磁力型第三代核电控制棒驱动机构的几何结构为基础,建立了驱动机构的动力学仿真模型以及仿真计算流程,并在Adams软件中对驱动机构的不同运动过程开展了动力学仿真分析,得到了相应的运动数据。基于元动作分析了驱动机构运动过程的故障模式以及故障产生的影响,总结出故障原因与故障位置,并确定出对故障起关键作用的零部件。（4）提出了一种针对钩爪的优化设计方法,通过分析钩爪的设计变量与运动过程受力,探究出其寿命影响因素,并建立起寿命优化目标。利用预试验设计筛选出优化变量,并经二次试验设计建立出钩爪寿命的近似模型。对模型进行多目标优化求解,形成了钩爪的最佳设计方案。最后通过敏感度分析确定了主要的设计变量与优化目标之间的影响关系,为下一代新型钩爪的设计工作提供技术参考。

文章来源：《核动力工程》 网址: http://www.hdlgc.cn/qikandaodu/2022/0204/529.html