摘要：采用試驗結合數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特性進行研究。首先采用有限元分析方法對燃料組件的固有頻率進行理論預估，計算結果可為動態特性試驗參數的設置及模態參數的辨識提供參考;試驗以敲擊法為主，單點激勵，多點拾振，通過對試驗數據的多方法擬合，獲得燃料組件的固有頻率、振型等參數。試驗結果與數值分析結果吻合較好。

　　關鍵詞：燃料組件;動態特性試驗;數值分析

　　1 燃料組件結構概述

　　燃料組件為套管型結構，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構，組件整體為對稱結構。燃料組件在頂部與相鄰組件相切接觸或自由。組件結構如圖 1 所示。

　　2 數值分析

　　試驗前對燃料組件的固有頻率進行了理論預估，計算結果可為動態特性試驗參數的設置及試驗結果提供參考。燃料組件的數值分析采用有限元分析方法，用帶中間節點的體單元模擬組件結構。綜合考慮計算精度和計算機耗費比，建模中對燃料組件細部結構作了部分簡化：①將燃料管視作均質材料：燃料管由包殼和芯塊構成，屬夾層薄壁細長桿結構，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 種方法進行處理：一是各層燃料管和肋之間采用一體式連接，認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調，認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果顯示外層燃料管與肋之間會產生局部結構滲透，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分析造成較大的誤差。

　　3 試驗原理與方法

　　采用模態試驗方法進行燃料組件的動態特性試驗，試驗分析程序為 LMS。首先對燃料組件進行建模，根據結構特點，燃料組件的一階振型應為典型的梁式一階振型，因此建立的試驗模型為梁模型，燃料組件沿高度方向共布置 5 個測點。建模時考慮底部的約束，對應于頂部自由和頂部接觸 2 種邊界條件建立 2 個試驗模型，分別為 6 節點模型 A 和 7 節點模型 B，見圖 2。

　　試驗采用敲擊法進行，下接頭作為燃料組件的底部支撐插入下部結構，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。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參數識別難度較大。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)分別進行敲擊試驗，測量組件不同面的加速度或位移響應，采用多種擬合方法，對響應信號進行模態分析，以獲得燃料組件的固有頻率和振型。

　　4 試驗結果

　　試驗得到燃料組件的固有頻率，并與分析結果進行比較，比較結果見表 2。

　　比較表 2 中試驗和分析的結果，燃料組件在頂部自由的狀態下，有限元分析的結果高于試驗結果，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于試驗的底部約束。燃料組件頂部接觸的狀態下，數值分析結果與試驗結果吻合較好：燃料組件頂部被約束后，發生一階梁式振動時其底部的支撐被動約束，剛度不會出現頂部自由時的較大波動，頻率變化范圍縮小，邊界條件能較準確地模擬。

　　5 結 論

　　套管型燃料組件動態特性研究采用試驗與數值分析相結合的方法，獲得了較為一致的結果。

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

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

　　《套管型燃料組件動態特性研究》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。