摘要：采用試驗結(jié)合數(shù)值分析的方法對套管型燃料組件在不同安裝邊界條件下的動態(tài)特性進(jìn)行研究。首先采用有限元分析方法對燃料組件的固有頻率進(jìn)行理論預(yù)估，計算結(jié)果可為動態(tài)特性試驗參數(shù)的設(shè)置及模態(tài)參數(shù)的辨識提供參考;試驗以敲擊法為主，單點(diǎn)激勵，多點(diǎn)拾振，通過對試驗數(shù)據(jù)的多方法擬合，獲得燃料組件的固有頻率、振型等參數(shù)。試驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果吻合較好。

　　關(guān)鍵詞：燃料組件;動態(tài)特性試驗;數(shù)值分析

　　1 燃料組件結(jié)構(gòu)概述

　　燃料組件為套管型結(jié)構(gòu)，每 2 層燃料管之間沿周向均勻分布有肋，并提供剛度。燃料組件的外形為六邊形，上下兩端分別設(shè)有圓形接頭部件，其中下接頭作為燃料組件的支撐邊界插入下部結(jié)構(gòu)，組件整體為對稱結(jié)構(gòu)。燃料組件在頂部與相鄰組件相切接觸或自由。組件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

　　2 數(shù)值分析

　　試驗前對燃料組件的固有頻率進(jìn)行了理論預(yù)估，計算結(jié)果可為動態(tài)特性試驗參數(shù)的設(shè)置及試驗結(jié)果提供參考。燃料組件的數(shù)值分析采用有限元分析方法，用帶中間節(jié)點(diǎn)的體單元模擬組件結(jié)構(gòu)。綜合考慮計算精度和計算機(jī)耗費(fèi)比，建模中對燃料組件細(xì)部結(jié)構(gòu)作了部分簡化：①將燃料管視作均質(zhì)材料：燃料管由包殼和芯塊構(gòu)成，屬夾層薄壁細(xì)長桿結(jié)構(gòu)，其徑向和軸向尺寸相差很大，故對燃料管整體彈性模量和密度等材料參數(shù)采用剛度等效的方法處理;②燃料管與肋的連接采用2 種方法進(jìn)行處理：一是各層燃料管和肋之間采用一體式連接，認(rèn)為燃料管與肋完全粘合，忽略各層之間的滑移和摩擦;二是放開肋與燃料管之間的位移協(xié)調(diào)，認(rèn)為燃料管之間可以自由變形。分析得到 2 種連接方式下組件的剛度相差約 10%，由于第 2 種處理方法的分析結(jié)果顯示外層燃料管與肋之間會產(chǎn)生局部結(jié)構(gòu)滲透，因此采用一體式連接方式處理燃料管與肋之間的連接不會對模態(tài)分析造成較大的誤差。

　　3 試驗原理與方法

　　采用模態(tài)試驗方法進(jìn)行燃料組件的動態(tài)特性試驗，試驗分析程序為 LMS。首先對燃料組件進(jìn)行建模，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，燃料組件的一階振型應(yīng)為典型的梁式一階振型，因此建立的試驗?zāi)Ｐ蜑榱耗Ｐ停�燃料組件沿高度方向共布置 5 個測點(diǎn)。建模時考慮底部的約束，對應(yīng)于頂部自由和頂部接觸 2 種邊界條件建立 2 個試驗?zāi)Ｐ停�分別為 6 節(jié)點(diǎn)模型 A 和 7 節(jié)點(diǎn)模型 B，見圖 2。

　　試驗采用敲擊法進(jìn)行，下接頭作為燃料組件的底部支撐插入下部結(jié)構(gòu)，約束燃料組件的垂向自由度，徑向允許微小位移，周向可旋轉(zhuǎn)。由于燃料組件的邊界條件的不確定性，試驗對燃料組件的模態(tài)參數(shù)識別難度較大。試驗考慮了因加工及安裝誤差引起的燃料組件的不對稱性，對燃料組件相鄰的 3 個面(以下用 A 面、B 面和 C 面代替)分別進(jìn)行敲擊試驗，測量組件不同面的加速度或位移響應(yīng)，采用多種擬合方法，對響應(yīng)信號進(jìn)行模態(tài)分析，以獲得燃料組件的固有頻率和振型。

　　4 試驗結(jié)果

　　試驗得到燃料組件的固有頻率，并與分析結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表 2。

　　比較表 2 中試驗和分析的結(jié)果，燃料組件在頂部自由的狀態(tài)下，有限元分析的結(jié)果高于試驗結(jié)果，原因在于燃料組件頂部自由時其剛度可變的范圍較大，數(shù)值分析無法精確模擬該邊界條件，有限元模擬的底部約束強(qiáng)于試驗的底部約束。燃料組件頂部接觸的狀態(tài)下，數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好：燃料組件頂部被約束后，發(fā)生一階梁式振動時其底部的支撐被動約束，剛度不會出現(xiàn)頂部自由時的較大波動，頻率變化范圍縮小，邊界條件能較準(zhǔn)確地模擬。

　　5 結(jié) 論

　　套管型燃料組件動態(tài)特性研究采用試驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，獲得了較為一致的結(jié)果。

　　(1)套管型燃料組件的數(shù)值分析可按剛度等效原則將包殼燃料管做均質(zhì)簡化;燃料管之間的肋可視為與燃料管完全粘合，該方法對計算結(jié)果不造成較大誤差。

　　(2)套管型燃料組件因結(jié)構(gòu)特征及邊界條件的不確定性，其固有頻率在一定范圍內(nèi)變化，且以頂部自由狀態(tài)的低階頻率變化范圍較大。

　　《套管型燃料組件動態(tài)特性研究》來源：《核動力工程》，作者：張曉玲，趙 暉，喻丹萍，劉理濤，孫 磊，馬建中。