• ISSN 0258-2724
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多约束燃料棒自由振动特性

刘鹏亮 陈飙松 范晨光 李飞

刘鹏亮, 陈飙松, 范晨光, 李飞. 多约束燃料棒自由振动特性[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(2): 428-434. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180522
引用本文: 刘鹏亮, 陈飙松, 范晨光, 李飞. 多约束燃料棒自由振动特性[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(2): 428-434. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180522
LIU Pengliang, CHEN Biaosong, FAN Chenguang, LI Fei. Free Vibration Characteristics of Multi-constrained Fuel Rod[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 428-434. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180522
Citation: LIU Pengliang, CHEN Biaosong, FAN Chenguang, LI Fei. Free Vibration Characteristics of Multi-constrained Fuel Rod[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 428-434. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180522

多约束燃料棒自由振动特性

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180522
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFB0200702)
详细信息
    作者简介:

    刘鹏亮(1980—),男,博士研究生,研究方向为燃料结构设计与振动分析,E-mail:liupl-1119@163.com

    通讯作者:

    陈飚松(1974—),男,教授,博士,研究方向为工程力学和计算力学,E-mail:chenbs@dlut.edu.cn

  • 中图分类号: O327.1

Free Vibration Characteristics of Multi-constrained Fuel Rod

  • 摘要: 为开发用于核燃料设计的流致振动计算程序,基于梁理论和势流理论,建立了多约束燃料棒振动问题理论分析方法. 首先通过多跨连续梁理论,得到了多约束燃料棒在空气中振动控制方程和干模态下总体刚度矩阵和质量矩阵;然后通过势流理论,考虑了流体轴流和边界条件的影响,给出了湿模态下附加质量矩阵;最后以压水堆燃料棒为例,得到了燃料棒在干模态和湿模态下自由振动固有频率和振型的理论分析结果,并研究了弹簧刚度和附加质量系数对振动固有频率的影响. 研究结果表明:通过理论分析方法所得计算结果与有限元软件ANSYS计算结果相一致;燃料棒在堆芯中结构为棒束形式,且周围为高速流动流体,振动频率及振型受到流体轴流和周边相邻燃料棒的边界效应影响,但由于多约束作用,流体轴流和边界效应仅影响了振动固有频率,而对振型基本没有影响;拉压和扭转弹簧刚度越大,燃料棒振动频率越高,增加扭转弹簧刚度可使第1阶固有频率增加79.1%,附加质量系数越高,燃料棒振动频率越低,可使第1阶固有频率降低18.2%,通过优化刚度方法可得到理想的振动特性,为格架设计提供参考.

     

  • 图 1  格架对燃料棒约束作用示意

    Figure 1.  Schematic diagram of constraint of grid to fuel rod

    图 2  格架弹簧转化示意

    Figure 2.  Schematic diagram of grid spring transformation

    图 3  燃料棒二维多约束振动模型

    Figure 3.  2-D multi-constraint vibration model of fuel rod

    图 4  燃料棒在流体轴流中振动

    Figure 4.  Diagram of fuel rod vibrating in axial fluid flow

    图 5  参数a = 0.000 1条件下附加质量系数变化曲线

    Figure 5.  Additional mass coefficient for parameter a = 0.000 1

    图 6  燃料棒在空气中1~6阶振型

    Figure 6.  1st-6th vibration modal of fuel rod in air

    图 7  燃料棒在流体中1~6阶振型

    Figure 7.  1st-6th vibration modal of fuel rod in fluid

    图 8  燃料棒第1阶频率随弹簧刚度变化规律

    Figure 8.  1st frequency variation of fuel rod with spring stiffness

    图 9  燃料棒第1阶频率随附加质量系数变化规律

    Figure 9.  1st frequency variation of fuel rod with added mass coefficient

    表  1  燃料棒结构设计参数

    Table  1.   Design parameters of the fuel rod structure

    格架
    数目/个
    燃料棒包壳
    外径/m
    燃料棒包壳
    内径/m
    芯块
    直径/m
    燃料棒
    长度/m
    两端跨
    长度/m
    中间7跨
    长度/m
    相邻燃料棒
    中心间距/m
    80.009 50.083 60.008 1923.860.180.500.013
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    表  2  材料性能和流体特性参数

    Table  2.   Parameters of material properties and fluid characteristics

    包壳弹性模量/Mpa包壳密度/(kg•m−3芯块密度/(kg•m−3拉压弹簧刚度/(N•m−1扭转弹簧刚度/(N•m−1流体密度/(kg•m−3流体中声速/(m•s−1
    91 0006 56010 9706.3 × 1042.7 × 1021 0001 500
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    表  3  不同比值时附加质量系数

    Table  3.   Additional mass coefficients for various ratios

    d/Da
    0.000 10.001 00.010 00.100 0
    1.02 50.504 95 50.505 00 50.510 10 51.025 38
    1.06 17.181 23 17.181 25 17.183 05 17.365 19
    1.10 10.523 81 10.523 82 10.524 97 10.640 67
    1.20 5.545 45 5.545 46 5.546 12 5.612 38
    1.40 3.083 33 3.083 34 3.083 75 3.126 09
    1.65 2.161 10 2.161 11 2.161 44 2.195 41
    1.80 1.892 86 1.892 86 1.893 17 1.924 96
    2.00 1.666 67 1.666 67 1.666 96 1.697 15
    6.00 1.057 14 1.057 15 1.057 46 1.092 65
    10.00 1.020 20 1.020 21 1.020 56 1.068 07
    100.00 1.000 20 1.000 21 1.000 89 1.022 37
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    表  4  燃料棒在空气及流体中自由振动频率

    Table  4.   Vibration frequency of fuel rod in air and fluid

    阶数空气中
    振动频率/Hz
    ANSYS
    计算值/Hz
    流体中
    振动频率/Hz
    ANSYS
    计算值/Hz
    1 43.777 43.679 39.853 39.764
    2 43.951 43.852 40.011 39.921
    3 44.902 44.794 40.877 40.779
    4 46.122 46.005 41.988 41.881
    5 47.407 47.280 43.157 43.042
    6 48.511 48.377 44.162 44.040
    7 49.252 49.113 44.836 44.710
    8 54.562 54.420 49.671 49.542
    9 54.562 54.420 49.671 49.542
    10 94.218 94.028 87.827 85.599
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-21
  • 修回日期:  2018-11-04
  • 网络出版日期:  2018-11-29
  • 刊出日期:  2020-04-01

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