Кафедра динаміки і міцності машин та опору матеріалів (ДММОМ)

Постійне посилання на фонд

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/120

Переглянути

Перегляд Кафедра динаміки і міцності машин та опору матеріалів (ДММОМ) за Ключові слова "534.12: 621.039"

Зараз показуємо 1 - 1 з 1
  • Ескіз
    ДокументВідкритий доступ
    Напружено-деформований стан тонкостінних оболонок реактора ВВЕР-1000 при максимальній проєктній аварії
    (КПІ ім.Ігоря Сікорського, 2023) Іщенко, Олексій Антонович; Крищук, Микола Георгійович
    Дисертація присвячена дослідженню поведінки шахти внутрішньокорпусної реактору типу ВВЕР-1000 під час протікання однієї з найбільш уразливих для внутрішньокорпусних пристроїв реактора – максимальної проєктної аварії. Створена теплогідравлічна модель реакторної установки ВВЕР-1000. Отримано розподіл тиску в часі для перших мілісекунд максимальної проектної аварії. Спрощену модель шахти представлено двовимірною циліндричною оболонкою. Для обґрунтування спрощеної моделі проведено модальний аналіз деталізованої конструкції шахти та її цифрового прототипа-аналога. Розраховано власні частоти та форми коливань цифрового прототипа-аналога конструкції шахти та деталізованої моделі конструкції шахти з визначеними граничними умовами різного типу. Отримано динамічний відгук по кожній формі коливань. Встановлено максимальні переміщення, згинні та мембранні напруження оболонки під час дії МПА. Оцінка міцності конструкції шахти проведена за двокритеріальним підходом згідно норм ПНАЕ. Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. У першому розділі проведено огляд наукових джерел, що стосуються історії зафіксованих аварійних ситуацій під час експлуатації АЕС та опис дослідження недопущення таких ситуацій. Розглянуто основні типи проєктних аварій водо-водяних реакторів. Показано історію вивчення максимальної проєктної аварії та її впливу на реакторну установку в цілому. Визначено, що однією з найбільш ризикових конструкцій реактора ВВЕР-1000 під час такої аварії може бути шахта внутрішньокорпусна. Розглянуто стан вивчення і проаналізовано існуючі методи визначення навантажень, які можуть виникати під час максимальної проєктної аварії в ядерній енергетичній установці. Визначено, що найбільш консервативним інструментом для цього є CFD розрахунки, показано порівняння таких розрахунків у інших дослідників. Схематизовано шахту внутрішньокорпусну як циліндричну оболонку через її невелику товщину порівняно з довжиною та радіусом. Проведено літературний огляд вивчення коливань оболонок, показано ті теорії коливань, що найчастіше застосовували на практиці. Розглянуто основні алгоритми знаходження власних частот коливань конструкцій, показана проблема використання деяких методів з точки зору точності при їх меншій складності в реалізації. На основі цього аналізу обґрунтовані основні напрямки досліджень, що розглянуті у дисертаційній роботі. У другому розділі представлено реалізацію методики по визначенню власних частот і форм коливань конічної оболонки, описаної рівняннями на основі теорії Доннелла-Муштарі. Частковим випадком конічної оболонки є циліндрична оболонка (при відсутності кута нахилу бічної поверхні оболонки). Показано формування системи рівнянь аналітичної моделі оболонки, враховуючи рівняння рівноваги, фізичні та геометричні рівняння. Описано методику отримання звичайних диференціальних рівнянь восьмого порядку вихідних невідомих, таких як внутрішні сили, моменти, деформації за апроксимацією у тригонометричних рядах. Описано жорсткісні, силові та кінематичні граничні умови оболонки, показано збіжність результатів комбінацій граничних умов для експериментальних та літературних даних. Реалізацію алгоритмів розв’язування системи звичайних диференціальних рівнянь з поліноміальною апроксимацією шуканих функцій та використанням методу початкових параметрів виконано у програмному комплексі MATLAB, Надано опис введення кінематичних та жорсткісних граничних умов в розрахункову схему та програмний код. Для точного знаходження власних частот коливань оболонок модифіковано алгоритм Вільямса-Віттрика, що був раніше розроблений для стержневих систем та фермових систем. Такий алгоритм дозволяє знаходити точне число власних частот коливань конструкцій оболонок з різними типами граничних умов на заданому діапазоні. Реалізація цього методу передбачає вираження матриці жорсткості отриманої за методом початкових параметрів в матрицю динамічної жорсткості і перетворення у діагональну методом Гауса. Для врахування внутрішніх зусиль в оболонці, таких як внутрішній та зовнішній тиск, осьова сила, частота обертання та згинний момент, реалізовано модернізацію одного з вихідних рівнянь. Створений чисельний алгоритм для пошуку власних частот коливань оболонок порівняно з експериментальними та літературними даними. Встановлена хороша збіжність результатів розрахунків. У третьому розділі описано розроблену методику розрахунку перепадів тиску в шахті внутрішньокорпусній реактору типу ВВЕР-1000 під час протікання МПА. Для дослідження нестаціонарних процесів протікання МПА створено теплогідравлічну модель. Чисельні розв’язки нестаціонарних початково-крайових задач гідромеханіки для реакторної установки проведено із застосуванням розробленої теплогідравлічної моделі реакторної установки, геометрична конфігурація якої обмежена впускною та опускною зонами реактора ВВЕР-1000, а також його патрубками. Початкові умови для теплогідравлічної моделі реакторної установки при МПА сформовані за результатами розв’язку стаціонарної задачі гідромеханіки для типового режиму експлуатації РУ ВВЕР-1000. Описано граничні умови для стаціонарної та нестаціонарної задачі. Показано ступінь необхідної дискретизації сітки скінченних об’ємів, наведено збіжність чисельних розв’язків з контрольованими параметрами. Для коректного розв’язку задачі побудована двофазна модель турбулентності Special Phase Change Model (SPCM) в програмному коді ANSYS. За результатами розрахунку наведено динаміку розгерметизації конструкцій реактора впродовж 1 секунди, при якій криза течії не дає знизити тиск до атмосферного, створюючи «парову подушку». Найбільші перепади тиску на поверхні ШВК є протягом перших 0.1 секунд аварії і складають до кількох МПа. Просторово-часові епюри тисків необхідні для подальшого застосування при знаходженні величин сил та моментів. Визначено напружено-деформований стан циліндричної оболонки ШВК при МПА. Для динамічних розрахунків деформованого та напруженого стану оболонки ШВК при МПА використано метод модальних координат та інтеграл Дюгамеля, методика якого описана в даному розділі. Четвертий розділ роботи присвячено використанню наближеної розрахункової схеми оболонки ШВК (математичний опис якої наведено у другому розділі), що провалідована із деталізованою розрахунковою схемою (створеної в програмному коді ANSYS). Порівняння цих двох моделей показало хорошу збіжність результатів при малих частотах, які і використовуються в розрахунках НДС оболонки ШВК при дії МПА. Переміщення оболонки ШВК при дії МПА у часі отримано за методикою описаною в третьому розділі: використали розраховані перші чотири значення частот коливань, тобто тих, що забезпечують найменшу похибку; з теплогідравлічної моделі описаної в третьому розділі використано перепади тиску у часі і підставлено в якості граничних умов для оболонки ШВК. Отримано максимальні радіальні переміщення в ШВК, які було порівняно із зазором між ШВК та корпусом реактора. Показано, що максимальні переміщення складають 12.5 мм і не можуть перекрити зазор для протоку теплоносія, що становить 190 мм. Подальша оцінка НДС ШВК була виконана для двох зон ШВК – нижньої (опроміненої, через те що знаходиться навпроти активної зони реактора) і верхньої (неопроміненої). Такий умовний поділ необхідний для врахування в нижній зоні деградації матеріалу через опромінення: граничне значення тріщиностійкості, границі текучості та границі міцності. Показано розраховані екстремальні величини мембранних та згинних напружень для обох частин шахти, вказано час і переріз оболонки за просторовими координатами. Отримані величини напруження оболонки ШВК використані в подальшому розрахунку крихкої міцності та граничного пластичного стану. Згідно ПНАЕ постульовано тріщини з розмірами a=0.25 h, a/c=0.3, як в коловому так і в осьовому напрямку, на зовнішній та внутрішній поверхні оболонки шахти внутрішньокорпусної. Оцінка тріщин в шахті проведена за двокритеріальним підходом руйнування, побудовано діаграми оцінки руйнування для верхньої та нижньої частин. Показано, що вірогідне руйнування шахти при МПА для верхньої частини конструкції є в’язким, а для нижньої частини – крихким, а всі коефіцієнти запасу міцності становлять більше 1.