核电厂房三维有限元模型考虑土-结构相互作用的简化方法

为将集总的半无限地基动刚度等效离散给三维厂房结构的筏板基础,借鉴简化的集中质量厂房模型考虑土-结构相互作用(SSI)分析方法,通过力矩等效,推导三维厂房结构考虑SSI的弹簧-阻尼器等效离散模型,并通过模态分析和动力时程分析验证了此等效离散方法的正确性和合理性。这种第一步求解集总的地基动刚度,然后基于通用的有限元软件在三维厂房筏板基础施加弹簧-阻尼器的方法,相对于其他人工边界法更简便易行,便于工程应用。     

基于人工透射边界的核电厂结构抗震分析

目前核电厂结构-地基地震动力相互作用模型仍局限为规范建议的简单集总参数模型,或以粘弹性边界为代表的基本有限元地基模型,缺乏精度相对较高的分析方法。本文将高精度的二次透射人工边界地基模型引入核电结构抗震的分析领域,针对厂房结构的复杂约束,采用隐显式方法求解,显式积分时域结果后处理等关键问题,基于ANSYS软件提出了模型解决方案,并以实例形式验证了本文方法与模型的适用性。结果表明,文中模型适用于核电厂建筑物动力响应的有限元分析。     

飞机撞击下高温气冷堆乏燃料厂房损伤研究

本文针对典型高温气冷堆乏燃料厂房在双发商用飞机撞击载荷下的响应及结构完整性开展研究,并探讨结构特性对撞击损伤的影响。对乏燃料厂房及飞机分别建立有限元模型,通过弹体-目标相互作用分析模拟了飞机撞击过程,综合IAEA与NRC的评价准则对乏燃料厂房在飞机撞击下的损伤程度进行评估。数值结果表明:厂房上对应于机身及发动机的撞击位置发生可接受的局部损伤;乏燃料贮存井墙体对于提高构筑物抗飞机撞击能力有重要作用。此外,构筑物外形对损伤有很大影响,圆柱形壳体的抗飞机撞击能力显著强于方形厂房,是核电厂厂房设计的优化方向之一。     

基于DSEM的核电厂结构-土-结构相互作用模型

核电厂结构的抗震能力是保障安全的重要内容,而考虑结构-土-结构相互作用(SSSI)的影响效应是必要的且意义重大。本文以阻尼溶剂抽取法(DSEM)为理论基础,考虑相邻工程结构与无限土体的动力特性,利用位移协调与力平衡机制,建立了相邻结构-土体相互作用计算模型,给出了具体数值实现公式,并通过UPFs二次开发功能在通用有限元程序ANSYS中实现该模型的嵌入。进而,以国内某核电工程为例,建立一系列SSSI系统的三维模型,并就不同的地基条件、埋置效应对核电厂反应堆SSSI规律的影响进行探讨,结果可为类似核电厂址地基的抗震适应性分析及优化设计提供借鉴与参考。     

考虑地基岩土参数不确定性的核电厂结构随机地震反应分析

在考虑土-结构相互作用(SSI)效应的情况下,引入随机地震反应分析方法,探讨地基岩土参数的不确定性对核电厂地震响应的影响.基于ANSYS程序,采用常数阻抗法,通过设置边界弹簧和阻尼来考虑地基土的作用,并通过设置弹簧和阻尼参数的不确定性,来模拟岩土动态参数的不确定性.针对某1000MW级压水堆核电站反应堆厂房结构,进行随机地震反应的数值仿真分析,并将随机反应结果与确定论分析结果进行了对比.结果表明,随机分析方法是确定论分析方法的有益补充,二者结合能更合理地反映参数的不确定性对结构地震响应的影响.     

飞机撞击下高温气冷堆乏燃料厂房损伤研究

本文针对典型高温气冷堆乏燃料厂房在双发商用飞机撞击载荷下的响应及结构完整性开展研究，并探讨结构特性对撞击损伤的影响。对乏燃料厂房及飞机分别建立有限元模型，通过弹体-目标相互作用分析模拟了飞机撞击过程，综合IAEA与NRC的评价准则对乏燃料厂房在飞机撞击下的损伤程度进行评估。数值结果表明：厂房上对应于机身及发动机的撞击位置发生可接受的局部损伤；乏燃料贮存井墙体对于提高构筑物抗飞机撞击能力有重要作用。此外，构筑物外形对损伤有很大影响，圆柱形壳体的抗飞机撞击能力显著强于方形厂房，是核电厂厂房设计的优化方向之一。     

基于非结构网格的三维中子输运方程求解方法

本文使用离散纵标-间断有限元方法求解了三维中子输运方程,它对能量变量采用多群近似离散,对方向变量采用离散纵标法离散,对空间变量采用间断有限元离散;并研究了每个S_N离散方向的有限元网格的排序以及中子输运DFEM方程中几个矩阵的矩阵元的精确求解方法,并据此开发了基于非结构网格的三维输运计算程序TetTran1.0。基准例题校核结果表明,该程序具有很高的计算精度。     

基于动力人工边界的核电工程地震响应分析

动力人工边界是采用3D有限元技术解决地基动力问题的必要手段。采用粘弹性边界模型和透射边界模型,选取中国北方某典型核电工程实例进行地震响应分析,并将2种复杂人工地基边界模型的结果同简化均匀地基模型的分析结果进行对比,以比较不同分析模型在模拟复杂地基动力效应方面的差异。     

大亚湾核电厂反应堆厂房地震响应分析评估

大亚湾核电厂核反应堆厂房的抗震分析基本沿用法国M310型机组的标准分析方法（RCC—G）,对于土-结构相互作用（SSI）效应的考虑,采用简化的阻抗函数法。本文拟采用新的相对精确的基于Green函数的三维连续半空间边界子结构法考虑地基岩土的作用,进行SSI耦合系统的地震响应分析计算,并将计算的楼层反应谱（FRS）同设计值进行比较,对设计方法及其结果的趋向性（偏于安全／或不安全）进行评估。结果表明,与基于三维连续半空间边界子结构法的计算结果相比较,电厂设计偏于安全。     

考虑SSI效应的核电站厂房楼层反应谱对比分析

在集总参数表征的场地动阻抗框架内,国内外主要核电厂抗震设计规范均推荐单一常系数弹簧-阻尼器并联体系表征均质场地动力模型。结合土-结构相互作用数值分析的最新发展,本文以CPR1000型反应堆厂房的集中质量简化模型作为研究对象,基于ASCE4-98规范、RCC-G规范、集10参数等适用于均质场地的集总参数地基模型以及适用于非均质复杂场地的粘弹性人工边界场地模型,开展了直接法和阻抗子结构法两种时程分析方法的对比研究,并将得到的楼层加速度反应谱与SASSI程序计算结果进行对比,互相验证了不同地基动力数值模型以及计算方法的有效性,对于评价核电厂地基适应性具有一定的指导与参考意义。     

基于地基土等效线性的三维厂址反应分析

随着核电厂选址条件的日趋复杂化,土-结构相互作用（SSI）成为核电厂抗震分析需要考虑的重要因素之一。目前经典的自由场厂址反应分析采用的是一维层状地基土的分析,比如SHAKE91、EERA和SASSI等,很难考虑土层的非均质层状因素。因此随着核电安全的监管要求越来越高,抗震的精细化分析成为趋势。本文采用有限元程序ABAQUS编写的UMAT材料子程序,实现了基于地基土材料的等效线性,开展均质层状土的三维自由场厂址反应分析。其计算分析结果与SHAKE91计算结果进行对比表明,在均质层状土条件下吻合较好。因此,本研究为求解复杂非均质地基条件的SSI分析提供了良好的工程适用性。      

大型商用飞机撞击钢板混凝土结构安全壳的有限元分析

为研究不同场地条件对大型商用飞机撞击核电厂结构的冲击响应影响，采用规范推荐的集总参数场地动力模型考虑不同的均质场地条件。基于荷载时程分析法进行了某大型商用飞机撞击钢板混凝土结构安全壳的冲击响应对比分析。分析结果表明，随场地剪切波速的增大，安全壳的冲击响应减小，当考虑为固定端时，其响应最小；当场地的剪切波速较大，即场地较硬时，假设为固定端的边界条件是合理的，当场地较软时，应考虑场地的弹性作用；场地阻尼效应对于冲击响应的影响很小，可忽略不计。针对某特定场地，大型商用飞机对钢板混凝土结构安全壳的冲击响应较小，不会引起结构的整体破坏，是可接受的。     

Structural analysis of aircraft impact on a nuclear powered ship

As part of a general safety analysis, the reliability against structural damage due to an aircraft crash on a nuclear powered ship is evaluated. This structural analysis is an aid in safety design. It is assumed that a Phantom military jet-fighter hits a nuclear powered ship. The total reaction force due to such an aircraft impact on a rigid barrier is specified in the guidelines of the Reaktor-Sicherheitskommission (German Safety Advisory Committee) for pressurized water reactors.This paper investigates the aircraft impact on the collision barrier at the side of the ship. The aircraft impact on top of the reactor hatchway is investigated by another analysis. It appears that the most unfavorable angle of impact is always normal to the surface of the collision barrier. Consequently, only normal impact will be considered here. For the specific case of an aircraft striking a nuclear powered ship, the following two effects are considered: Local penetration and dynamic response of the structure.The local penetration occurs at points where the engines or other rigid objects hit the structure. It is assumed that the aircraft engine is a rigid body projectile and the side wall of the ship is the target. The applied steel penetration formulae for projectiles were empirically derived for military applications, where both the projectile and the target are unlike those of an impact of an aircraft engine. For this reason it is expedient to calculate the upper and the lower limit values of the penetration depths. The results show that the highest penetration depth is less than the sum of all wall thicknesses of the collision barrier.The solution of the dynamic analysis is obtained by using the finite element method. The results are the eigenmodes, the eigenfrequencies, the displacements of the nodes, and the stresses in the applied plane stress elements. It is shown that the maximum stress which only appears in one element is on the same level as the yield stress of the St. 42 steel. The structural analysis shows that the collision barrier is a sufficient safeguard against the perforation of the engine and against the cracking of the structure as a result of the dynamic response to an aircraft impact.     

高温气冷堆反应堆厂房外墙及蒸发器舱室抗飞机撞击数值分析

反应堆抗大飞机撞击是需要考虑的外部事件,对反应堆的安全评价非常重要。本文在耦合冲击动力学有限元模型的基础上,提出了双层平行墙体承受飞机撞击的等效模拟方法,研究了高温气冷堆（HTGR）较薄的方形蒸发器舱室抗商用飞机撞击能力。建立了反应堆厂房外墙受商用飞机撞击穿透评价标准,并进行了商用飞机撞击反应堆厂房外墙仿真计算,得到了飞机剩余动能曲线。飞机撞击蒸发器舱室的计算中,保守假设飞机穿过外墙后无质量损失,形态完好,以剩余速度撞击方形蒸发器舱室。评估表明,蒸发器舱室结构在撞击条件下的整体损伤微小,可为保护内部关键设备提供重要的屏障功能。      

A study on the connection effects of subsurface slabs to exterior walls in the KNGR seismic analysis

The soil-structure interaction (SSI) analyses are being performed for the Korean next generation reactor (KNGR) design, because the KNGR is developed as a standard nuclear power plant concept enveloping various soil conditions. The SASSI program, which adopts the flexible volume method is used for the SSI analyses. Since the impedances are computed based on the assumption of a rigid foundation in the KNGR design, the impedances are computed at a single point around the center of the basemat. The base model used in the SSI analyses assumed that the subsurface slabs are free and not connected to the exterior walls. This results in a more flexible structure than reality. This study is performed to address the concern of the potential dynamic effect of this modeling assumption on the overall structural response. The super-structure model is modified with the subsurface portions of the sticks being laterally rigid, so that the entire subsurface cavity together with the super-structure model acts laterally rigid. For the comparison, the in-structure response spectra using the rigid subsurface model are compared with the original spectra without considering the connection effects.     

单片式核燃料板轧制过程的数值模拟研究

针对UMo合金单片式核燃料板锆合金包壳材料应变率相关的力学本构关系,推导出其三维应力更新算法,相应地编写了定义其本构关系的VUMAT子程序并验证了程序的正确性;建立了对UMo合金单片式板元件的框架轧制过程进行计算模拟的有限元模型;利用显式动力有限元法,计算分析了复合坯内部的变形以及接触压强在轧制过程中的演化规律。研究结果表明,利用VUMAT用户材料子程序能方便正确地定义材料应变率相关的本构关系;燃料芯体与盖板之间的轧制接触压力随时间而演化,在靠近宽度方向的对称面处具有最大的接触压力。本研究为优化UMo合金单片式核燃料板的制造工艺参数提供了理论基础和计算手段。     

Structural integrity analysis of an Ignalina nuclear power plant building subjected to an airplane crash

Recent terrorist attacks using commandeered commercial airliners on civil structures have raised the issue of the ability of nuclear power plants to survive the consequences of an airliner crash. The structural integrity analysis due to the effects of an aircraft crash on an Ignalina nuclear power plant (INPP) accident localization system (ALS) building is the subject of this paper. A combination of the finite element method and empirical relationships were used for the analysis. A global structural integrity analysis was performed for a portion of the ALS building using the dynamic loading from an aircraft crash impact model. The local effects caused by impact of the aircraft's engine on the building wall were evaluated independently by using an empirical formula.The results from the crash analysis of a twin engine commercial aircraft show that the impacted reinforced concrete wall of the ALS building will not have through-the-wall concrete failure, and the reinforcement will not fail. Strain-rate effects were found to delay the onset of cracking. Therefore, the structural integrity of the impacted wall of the INPP ALS building will be maintained during the crash event studied.     

考虑撞击区非线性和土-结构相互作用的飞机撞击核电厂振动效应分析

给出一种简化的飞机撞击核电厂振动效应的评估方法,首先给出了2种飞机撞击荷载模拟方法（力-时程法和飞射物-标靶相互作用法）所产生的核电厂振动响应特性及其传播规律;随后重点分析了核电厂撞击区材料非线性和土-结构的相互作用对核岛内部振动响应的影响;最后结合核电厂抗震裕度评价工作,给出了振动响应对核电厂核岛内部安全相关系统、设备和部件影响的评估实例。结果表明:2种飞机撞击荷载模拟方法所得核电厂撞击区最大变形及其变化规律基本一致,但飞射物-标靶相互作用法将包含更多的高频分量;随振动传播距离的增加,振动响应（特别是高频分量）衰减显著,且2种撞击荷载模拟方法所得响应将逐渐趋于一致。当考虑撞击区材料非线性后,飞机撞击核电厂所产生的振动响应将明显低于线性分析的结果;当进一步考虑土-结构相互作用后,其振动响应还将进一步减小;裕度地震反应谱可作为振动响应评估的参考准则。      

三向地震载荷下HTR-10厂房土壤-结构相互作用分析

土壤-结构相互作用（SSI）会影响核电厂厂房的地震响应。本文充分考虑SSI效应的影响,对10 MW高温气冷堆（HTR-10）厂房在三向地震载荷下的响应进行了分析。建立了土壤-结构耦合有限元模型,通过构造人工边界实现对地震波在无限域内传播过程的模拟,并对模型的准确性进行了验证。利用该模型计算了HTR-10厂房的地震响应,并对不同楼层的反应谱计算结果进行了分析。对于水平向反应谱,各楼层的反应谱谱型类似,SSI影响规律基本一致。在竖直方向上,结构的响应特点与楼板自身的竖向频率特性有明显关系,不同楼板的响应差别较大。一般情况下,SSI效应对竖向响应有抑制作用,且随着楼层增加更为明显。当楼板与土壤的固有频率接近时,竖向响应与其他楼层相比会有显著放大。