在高溫氣冷核反應(yīng)堆中，控制反應(yīng)速度的控制棒在遭遇地震、緊急停堆等事故時(shí)會(huì)觸發(fā)自由跌落模式。因此，建立相應(yīng)的防護(hù)系統(tǒng)以吸收控制棒動(dòng)能是控制棒設(shè)計(jì)體系中的重要環(huán)節(jié)。由于核反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，吸能防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)苛的要求，包括吸能歷程的穩(wěn)定性、壓潰力精確控制以及高溫下的運(yùn)行可靠性等。
面對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室沖擊與耦合效應(yīng)課題組提出了基于梯度缺陷的主動(dòng)控制方法來調(diào)控壓潰歷程，并通過賦予不同的梯度參數(shù)獲取不同趨勢(shì)的壓潰力演化特征。研究人員在經(jīng)典薄壁圓筒基礎(chǔ)上，將人工預(yù)制的缺陷以內(nèi)外環(huán)交疊的形式布置于筒壁上，其深度線性遞減，形成了梯度缺陷圓筒結(jié)構(gòu)(Gradient grooved tube, GGT)。理論分析中，在塑性鉸理論基礎(chǔ)上引入梯度缺陷項(xiàng)，獲得了以壓潰位移為自變量的分段平均壓潰力函數(shù)，其中包含了應(yīng)變強(qiáng)化及應(yīng)變率強(qiáng)化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，此類結(jié)構(gòu)壓潰歷程主要受三個(gè)無(wú)量綱參數(shù)控制，包括控制局部幾何協(xié)調(diào)性的無(wú)量綱凹槽寬度，控制局部穩(wěn)定性的無(wú)量綱凹槽深度以及決定屈曲模式可控性的無(wú)量綱半波長(zhǎng)。利用數(shù)值模擬方法，研究人員深入探討了上述參數(shù)的合理范圍及其對(duì)屈曲歷程的影響規(guī)律。在相關(guān)工業(yè)部門進(jìn)行的原型驗(yàn)證試驗(yàn)中，梯度缺陷筒表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸能特性和抗側(cè)向擾動(dòng)能力，實(shí)驗(yàn)過程中，吸能裝置均能保持理想的圓環(huán)形屈曲模式和穩(wěn)定的吸收歷程，獲得了總體設(shè)計(jì)單位的肯定。
薄壁圓筒作為重要的沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，在諸多領(lǐng)域有著實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景。該項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了在非穩(wěn)定加載條件下對(duì)吸能壓潰歷程的精確預(yù)測(cè)及主動(dòng)控制，已應(yīng)用于最新的高溫氣冷核反應(yīng)堆中，并有望在多類吸能構(gòu)件上推廣應(yīng)用。相關(guān)工作發(fā)表于《國(guó)際機(jī)械科學(xué)學(xué)報(bào)》（International Journal of Mechanical Sciences）[Wei Yanpeng; Yang Zhe; Yan He; Guo Yacong; Wu Xianqian; Huang Chenguang, International Journal of Mechanical Sciences 108-109 (2016) 49–60]。
圖1 a) 梯度環(huán)形凹槽缺陷布置示意圖 b) 梯度缺陷筒的褶皺屈曲模型
圖2 無(wú)量綱半波長(zhǎng)對(duì)壓潰歷程的控制效果
圖3 梯度缺陷筒壓潰力的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較
圖4 原型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) a)模型試驗(yàn)中的細(xì)長(zhǎng)控制棒 b)控制棒沖擊梯度缺陷筒 c)完整筒受控制棒沖擊發(fā)生歐拉失穩(wěn) d）梯度缺陷筒的圓環(huán)形屈曲模式
