一种采用简化弹簧支撑的花瓣形燃料棒微动疲劳寿命预测方法

本发明涉及新型燃料元件微动疲劳寿命预测，特别是涉及一种采用简化弹簧支撑的花瓣形燃料棒微动疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、目前燃料组件的设计安全裕度和长期服役性能面临高标准要求。其在服役过程中的接触状态、振动响应、磨损行为和疲劳损伤演化直接关系到燃料组件的安全运行。花瓣形燃料棒具有花瓣自支撑结构设计，无需传统定位格架夹持，具有更高的功率输出和强化换热能力，已成为先进核能燃料研发领域的热点研究内容。

2、四瓣形燃料棒花瓣支撑点为磨损疲劳关键发生区域。目前，已有针对圆形燃料棒与定位格架之间微动磨损、蠕变和间隙演化的仿真方法，用于描述圆形燃料棒-格架接触体系中的间隙松弛和接触演化问题。然而，花瓣形燃料棒不依赖于传统定位格架夹持，其接触支撑方式、载荷传递路径和局部流致振动特征与传统圆形燃料棒存在明显差异。花瓣自支撑结构会改变棒束间接触刚度和间隙演化规律，冷却剂流动引起的湍流扰动也会使花瓣接触区域承受更加复杂的振动载荷激励，导致其接触状态、应力应变分布、磨损形貌变化和疲劳损伤演化过程更加复杂。

3、因此，如何在保证花瓣接触区域微动磨损和疲劳损伤计算精度的前提下，对非关键支撑区域进行合理简化，建立能够反映蠕变、肿胀和接触间隙演化的等效支撑模型，并进一步实现流致振动、摩擦生热、磨损形貌更新和疲劳寿命预测的耦合分析，是花瓣形燃料棒微动疲劳仿真和结构寿命评估中亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种采用简化弹簧支撑的花瓣形燃料棒微动疲劳寿命预测方法。所述方法可快速预测花瓣形燃料棒接触区域微动疲劳失效问题，为花瓣形燃料棒的结构优化和寿命预测提供理论支撑。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种采用简化弹簧支撑的花瓣形燃料棒微动疲劳寿命预测方法，所述方法包括：

3、步骤s1：建立花瓣形燃料棒三维有限元简化模型，非关键结构区域采用等效弹簧单元进行支撑约束；

4、步骤s2：基于燃料材料性能数据建立燃料棒本构模型，所述燃料棒本构模型包括包壳与芯块材料的蠕变、弹塑性及辐照肿胀行为，并通过子程序umat和creep实现材料本构计算；

5、步骤s3：构建随燃耗与时间演化的弹簧支撑模型，通过动态刚度模拟辐照与应力松弛行为，并通过间隙函数描述蠕变与肿胀引起的接触间隙演化；

6、步骤s4：在热-力耦合条件下考虑接触摩擦生热效应，并通过子程序umatht及film实现热传导与对流换热边界条件更新，同时通过子程序fric实现摩擦系数随温度、滑移速度及接触应力变化；

7、步骤s5：基于能量耗散磨损模型，结合子程序umeshmotion与ale自适应网格技术，实现磨损导致的接触表面形貌更新；

8、步骤s6：将流体激励载荷施加于花瓣形燃料棒，以模拟振动作用下的微动磨损过程，并将燃料棒反向移动阶段计入磨损时间累积过程；

9、步骤s7：将abaqus计算得到的应力应变结果导入fe-safe，采用多轴疲劳分析方法对花瓣形接触区域进行疲劳寿命预测；

10、步骤s8：采用正交试验设计方法分析循环载荷、循环周次、倾斜角度、包壳厚度及摩擦系数对微动疲劳寿命的影响，并建立回归预测模型。

11、进一步地，所述等效弹簧单元用于模拟花瓣形燃料棒非关键结构区域的结构支撑，其动态刚度随时间、燃耗及温度变化而衰减。

12、进一步地，蠕变与肿胀变形共同作用于接触几何演化，所述间隙函数用于表征蠕变与肿胀对接触间隙的综合影响。

13、进一步地，所述动态刚度

keff采用指数衰减-饱和模型：

14、

15、式中，

t为时间，

b为燃耗深度，

k0为初始刚度，

r∞为饱和松弛因子，

λ为松弛速率常数，

t为包壳温度，

f(

t)为温度对材料的影响系数。

16、进一步地，所述摩擦生热作为瞬态热传导边界条件反馈至温度场求解，摩擦系数通过子程序fric进行定义，使其随温度、相对滑移速度及法向接触压力变化而动态调整。

17、进一步地，将反向移动阶段计入磨损时间累积过程包括：捕获位移载荷谱中的反向移动时间段，将所述反向移动时间段作为磨损累积时间的一部分，并结合振动激励周期和载荷循环跳跃次数进行跨时间尺度等效处理。

18、进一步地，所述疲劳寿命预测采用fe-safe的brown-miller多轴疲劳准则进行计算，并结合临界平面法获取等效应变幅值；所述疲劳寿命预测进一步结合o'donnell-langer锆合金疲劳曲线，并采用雨流计数法处理载荷循环谱。

19、进一步地，所述正交试验设计采用design-expert软件实现，通过多因素回归分析建立疲劳寿命与振动载荷、磨损及结构参数之间的定量关系。

20、本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种采用简化弹簧支撑的花瓣形燃料棒微动疲劳寿命预测方法的步骤。

21、本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种采用简化弹簧支撑的花瓣形燃料棒微动疲劳寿命预测方法的步骤。

22、本发明的有益效果：

23、1、本发明通过等效弹簧单元对花瓣形燃料棒非关键支撑区域进行简化，将计算资源集中于花瓣支撑磨损关键区域，实现蠕变与动态间隙演化。

24、2、本发明耦合振动载荷、热-力响应、接触摩擦问题，考虑摩擦系数随温度、滑移速度和法向接触压力变化的非线性特征，使花瓣支撑接触区域的接触状态、温度场和局部应力应变响应更加接近实际服役条件。

25、3、本发明将反向移动阶段纳入磨损时间累积过程，并结合振动激励周期和循环跳跃次数进行跨时间尺度等效处理，可减少因微动磨损单步增量小、循环次数多造成的计算成本，同时降低反向移动阶段磨损贡献遗漏导致的寿命预测偏差。

26、4、本发明结合有限元计算-多轴疲劳寿命预测-正交试验设计，可系统分析多因素对疲劳寿命的影响关系，为花瓣形燃料棒结构参数优化和寿命裕度评估提供依据。

27、5、本发明理论体系严谨，可在核工业领域广泛推广应用。

1.一种采用简化弹簧支撑的花瓣形燃料棒微动疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效弹簧单元用于模拟花瓣形燃料棒非关键结构区域的结构支撑，其动态刚度随时间、燃耗及温度变化而衰减。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，蠕变与肿胀变形共同作用于接触几何演化，所述间隙函数用于表征蠕变与肿胀对接触间隙的综合影响。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态刚度keff采用指数衰减-饱和模型：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩擦生热作为瞬态热传导边界条件反馈至温度场求解，摩擦系数通过子程序fric进行定义，使其随温度、相对滑移速度及法向接触压力变化而动态调整。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将反向移动阶段计入磨损时间累积过程包括：捕获位移载荷谱中的反向移动时间段，将所述反向移动时间段作为磨损累积时间的一部分，并结合振动激励周期和载荷循环跳跃次数进行跨时间尺度等效处理。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述疲劳寿命预测采用fe-safe的brown-miller多轴疲劳准则进行计算，并结合临界平面法获取等效应变幅值；所述疲劳寿命预测进一步结合o'donnell-langer锆合金疲劳曲线，并采用雨流计数法处理载荷循环谱。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正交试验设计采用design-expert软件实现，通过多因素回归分析建立疲劳寿命与振动载荷、磨损及结构参数之间的定量关系。

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。