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仿真驱动创新,让核电“走出去”

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仿真驱动创新,让核电“走出去”

核工业是国家的技术前沿和骨干行业,其产品开发和制造技术水平,不仅是质量和效率的保障,更是国家实力和形象的象征。“走出去”是我国核电行业的国家战略, “安全”是走得出去的前提和基础。基于对安全性的极高要求,核能行业对供应商的产品质量要求比其他行业都严格得多。

01    

     
如果“不安全”,核电会怎样?      

     

     




       

       

       

1957 年

英国温德斯凯尔核综合设施发生大火,放射性云状尘埃进入大气层,造成数年后数十人死于癌症。


       

       

       
1957 年 9 月        

前苏联秘密核工厂“车里雅宾斯克 65 号”的一个核废料仓库发生大爆炸,迫使紧急撤走了当地 11000 居民。


       

       

       

1957 年 10月

英国温德斯凯尔的一家铀生产核反应堆发生火灾。事故产生的放射性物质污染英国全境,至少有 39 人因此患癌症死亡。


       

       

       
1979 年 3 月        

位于美国宾夕法尼亚州的三哩岛核电站发生严重失水事故,放射性裂变产物泄漏到安全壳内。


       

       

       

1986 年 4 月

前苏联的切尔诺贝利核电站 4 号机组发生爆炸,31 人当场死亡,8 吨多强辐射物质倾泻而出,污染遍及居住着 694.5 万人的 15 万平方公里地区,320 多万人直接遭受核辐射侵害。参加救援工作的 83.4 万人中,已有 5.5 万人丧生,7 万人成为残疾,30多万人受放射伤害死去。

 ......


02    

     
如何确保核电的“安全”?      

     

     



安全性对于核电的重要性,随着新安全规则的出台,对核电站的要求也日益严格。在传统的工程方法中,对安全性的验证是缺乏而且昂贵的。通常在设计过程的较晚阶段,如复杂系统组装的详细设计阶段结束时,或者在调试期间,才进行大规模的验证工作。另外,在传统的核电设计过程中,通常采用串行方式。在这样的过程中,验证手段没有集成到不同的设计阶段,很难进行系统验证。


仿真技术,也就是通过数字化手段,分析验证产品的性能、安全性和可靠性,是产品研发和制造数字化技术的核心。同时,能够精确模拟现实世界,不仅大大节约了各种成本,而且对于工程技术人员的安全提供了积极的保障措施。在核电工业,因其对安全性的极高要求,以及难以进行物理实验等,仿真技术已经在设计中成为主要的手段和强制性措施。


1.仿真技术可以带来强大的系统设计和验证能力,因此可以节省大量的时间和成本


2.将仿真与CAD、仿真流程与仿真工具集成在一起,可以打破流程之间的竖井,增强协作能力并确保设计符合要求,从而减少设计验证迭代次数


3. 仿真技术作为驱动系统优化过程的核心能力,从而可以使设计团队以最小的成本实现最优的系统设计


03    

     
领先的核电企业是怎么做的?      

     

     



国内许多核电技术领先企业,如中国核工业集团第一研究院、第二研究院、第九研究院等都采用SIMULIA Abaqus软件来进行仿真,将仿真直接集成到整个核电生命周期中系统的不同生命阶段,从而节省大量的时间和费用。



达索系统SIMULIA Abaqus 是国际著名的 CAE 软件,与核工业有着很深的历史渊源,它以解决实际工业问题能力和强大的非线性功能赢得广泛声誉。SIMULIA Abaqus是第一批帮助客户获得ASME NQA认证的仿真软件之一,目前为止,对于我们客户的认证需求,SIMULIA Abaqus仍然是至关重要的工具。


针对核工业很多复杂和特殊的问题,如疲劳断裂、复合材料损伤、接触连接、金属塑性、混凝土本构等,达索系统SIMULIA Abaqus都有非常强健的解决方案。


04    

     
达索系统CAE仿真破解之道      

     

     



达索系统SIMULIA Abaqus的CAE仿真分析技术和软件覆盖了包括结构、流体、电磁、声学、多体动力学、多物理场耦合、优化设计等极其宽广的领域,应用领域的不断拓展和功能的深化,覆盖核电站从设计、建造、运行到退役的全生命周期,并延伸到核燃料从采矿,生产、服务、临时存储到地质掩埋的全生命周期中。


A        

反应堆安全壳极限承载力分析


研究反应堆预应力混凝土安全壳的极限承载力。将预应力混凝土安全壳的内压从零加到失效状态,采用SIMULIA Abaqus软件进行模拟。


下图(左)是安全壳1/4比例模型结构失效时场景,右图是模拟的结果,可以看出失效的位置和实验相比很吻合。



由于结构的复杂性,预应力混凝土安全壳的有限元分析具有挑战性,SIMULIA Abaqus优秀的非线性分析能力保证了计算的收敛和精确。



B        

反应堆压力容器分析


对AP1000反应堆压力容器整体耦合计算,模型超过180万个四面体单元,300万个节点。分析工况包括冷却系统设计瞬变A、B、C、D四级工况。通过分析,有利于掌握反应堆压力容器设计技术。




         

       


C        

高温气冷堆主蒸汽隔离阀

高温蠕变疲劳特性研究


对主蒸汽隔离阀处于高温部分的阀体进行了结构完整性分析和评价。分析阀体在高温、高压和地震荷载作用下的应力和变形水平,计算阀体关键部位的蠕变与疲劳损伤程度,并进一步探索阀体寿命对应力类型和水平的敏感性。



D        

管道系统支座数量优化


通过SIMULIA Isight软件的优化,将管道支座数量大约减少了40%,可以节约近百万美元的费用。



         
           

           
           

           

         
E        

轻水反应堆中管道的安全分析


针对正常工况下在弯矩和内压的作用下管道在蠕变区内的弯曲问题、有缺陷管道接头在蠕变区内的弯曲及断裂分析、厚壁管道的蠕变计算,过压情况下管道旋转、撞击、塌陷、塑性变形,地震引起的管道响应,包括线性和非线性响应等情况。


F        

核电站地震响应分析


使用SIMULIA Abaqus有限元软件进行核电站在地震载荷、空气爆炸、飞行器碰撞等特殊动力冲击下的响应谱分析,确保结构的安全性。


   
   

“走出去”是我国核电行业的国家战略, “安全”是走得出去的前提和基础,而“成本”“寿命”“效率”是走得稳健的关键因素。在核电创新中充分融入覆盖全生命周期的仿真,获得可见的效益:


  • 优化施工和运营阶段的设计、技术和经济性能,提高项目利润率


  • 更快地获得最佳且兼容的设计,减少项目持续时间


  • 简化针对复杂客户需求和相关法规的验证,保证工程的完整性和合规性







  


-END-




来源:达索系统
AbaqusIsight疲劳断裂复合材料碰撞非线性核能声学材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-04-26
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