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EAS-Nb3Sn超导股线弹塑性行为的分级均匀化分析

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EAS-Nb3Sn超导股线弹塑性行为的分级均匀化分析

作者：时立帆扬州大学

学位级别：硕士

Nb3Sn超导线材因具有高载流密度、高临界磁场强度等特点,广泛应用于大型强磁场领域。例如,国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）计划托卡马克（TOKAMAK）装置的 TF（Toroidal Field coil）、CS... 详细信息

Nb3Sn超导线材因具有高载流密度、高临界磁场强度等特点,广泛应用于大型强磁场领域。例如,国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）计划托卡马克（TOKAMAK）装置的 TF（Toroidal Field coil）、CS（Central Solenoid）线圈选用Nb3Sn超导股线绕制而成。Nb3Sn股线的直径约为0.81mm,其内部含有成千上万根直径约为2～3μm的Nb3Sn超导丝,复杂的微观几何结构给Nb3Sn股线的力学行为研究带来了极大的困难和工作量。此外,Nb3Sn股线的制备温度约高达1000K,并且在液氦（4.2K）工况下进入超导态,从制备温度到工作温度的巨大温差会产生温度应力,使对应变极其敏感的Nb3Sn纤维在承受机械载荷前就产生了初始损伤,导致超导股线的力学性能退化。因此,建立一种能够考虑材料塑性、纤维断裂损伤和温度应力影响的数值模型有助于Nb3Sn股线力学行为的分析和工程应用。本文主要研究如下:首先根据股线的多尺度几何特性进行了三级分层、两级等效处理,建立了EAS-Nb3Sn股线分层多尺度分析模型,数值计算了股线各层级代表性单元的等效弹性参数和等效热膨胀系数。考虑到股线从制备温度到工作温度经历了约900K的温度差异,数值分析了4K～923K温度范围内EAS-Nb3Sn股线不同层级结构的等效参数和考虑铜保护层塑性时股线的宏观应力-应变关系,数值结果表明温度越低,股线各层级的等效弹性模量（杨氏模量、剪切模量）越大,而等效热膨胀系数越小。均匀化EAS-Nb3Sn股线在小变形下的数值模拟结果与实验结果比较吻合,说明本文对EAS-Nb3Sn股线进行均匀化处理得到的等效模型能够用来简便高效地研究复合股线的力学性能。其次,本文考虑到Nb3Sn化合物的应变敏感性,股线内部的Nb3Sn纤维极易在微小的应变下发生断裂,基于Curtin-Zhou模型,提出了考虑温度应力的纤维增强复合材料损伤理论。数值研究了温度应力造成的初始温度损伤对Nb3Sn纤维本构关系的影响,并给出了不同工作温度下Nb3Sn纤维初始温度损伤的唯象表征模型。为了分析股线各层级考虑纤维损伤后的弹塑性行为,本文根据塑性材料的割线模量定义提出了在细观力学均匀化模型中考虑基体塑性的新计算方法。基于EAS-Nb3Sn股线考虑纤维断裂损伤的分层多尺度模型,数值分析了股线在单轴拉伸载荷下各层级的弹塑性力学行为。不同工作温度下EAS-Nb3Sn股线考虑纤维损伤的弹塑性数值模拟结果与实验结果具有良好的一致性,表明本文提出的考虑基体塑性的新计算方法是可行有效的。

关键词： EAS-Nb3Sn股线等效均匀化纤维断裂初始温度损伤弹塑性分析

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不连续因子在三维堆芯瞬态数值模拟中的应用

核动力工程 2018年第S2期39卷 173-179页

作者：段新会王兵树冀丽华北电力大学河北保定071003 中国核动力研究设计院成都610213

为保证三维堆芯瞬态计算过程中的静、瞬态精度与实时性的要求,采用高阶节块展开法对全堆芯细网划分进行静态数值计算,得到非均匀中子通量和界面中子流;采用体积通量权重法进行细网到粗网的均匀化过程,得到均匀化群参数、界面不连续因子... 详细信息

为保证三维堆芯瞬态计算过程中的静、瞬态精度与实时性的要求,采用高阶节块展开法对全堆芯细网划分进行静态数值计算,得到非均匀中子通量和界面中子流;采用体积通量权重法进行细网到粗网的均匀化过程,得到均匀化群参数、界面不连续因子与边界反照率;在瞬态计算过程中,根据棒位变化与热工水力参数反馈实时修正均匀化参数与不连续因子;最后利用基于不连续因子校正的粗网有限差分法,实现了三维堆芯静态、瞬态计算,并编制计算程序,进行了典型LMW算例的数值模拟验证。仿真实验证实此方法在空间与时间两个维度上,均达到与高阶节块展开法等同的精度,且计算效率高于将节块展开法直接应用于瞬态计算的数值模拟程序,满足开发核电站全范围模拟机三维堆芯模型的需要。

关键词：等效均匀化不连续因子边界反照率瞬态模拟

土石混合体宏观力学性能研究的细观等效分析方法

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工程力学 2017年第10期34卷 44-52页

作者：杜修力张佩金浏北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

土石混合体在组成结构、力学性质和变形行为等方面显著区别于均质土体和岩石。结合土石混合体的细观结构特征,将其看作由块石和土体基质组成的两相复合材料,提出了土石混合体宏观力学特性分析的细观尺度多步等效化分析方法,继而对该分... 详细信息

土石混合体在组成结构、力学性质和变形行为等方面显著区别于均质土体和岩石。结合土石混合体的细观结构特征,将其看作由块石和土体基质组成的两相复合材料,提出了土石混合体宏观力学特性分析的细观尺度多步等效化分析方法,继而对该分析方法中两个核心问题,即块石粒径阈值及复合材料等效化问题分别进行了研究。该方法的本质思想是:首先将较小粒径块石与土体基质进行均匀化处理,获得其各向同性的等效均匀介质;其次,将较大粒径的块石投放进等效均匀介质中,形成新的混合体,进而再次基于有限元数值方法对新混合体的力学特性及变形规律进行研究。基于该套分析方法对某土石混合体三轴加载排水试验进行了模拟与分析,发现该文方法获得的结果与试验结果吻合良好,验证了方法的有效性。

关键词：土石混合体细观尺度等效均匀化粒径阈值力学特性

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蒙特卡罗均匀化与多群蒙特卡罗输运研究

核动力工程 2012年第4期33卷 24-28页

作者：张鹏王侃李满仓清华大学工程物理系北京100084

基于蒙特卡罗方法(MCNP)进行组件均匀化产生少群常数继而进行堆芯计算,是MCNP应用于堆芯物理分析的一种可行方案。研究MCNP统计产生少群截面以及等效均匀化理论应用于多群蒙特卡罗计算的方法,并进行数值验证。结果表明,本文提出的利用M... 详细信息

基于蒙特卡罗方法(MCNP)进行组件均匀化产生少群常数继而进行堆芯计算,是MCNP应用于堆芯物理分析的一种可行方案。研究MCNP统计产生少群截面以及等效均匀化理论应用于多群蒙特卡罗计算的方法,并进行数值验证。结果表明,本文提出的利用MCNP模拟产生等效均匀化少群常数的方法是可行的,在保证预定精度的条件下提高了效率。

关键词：蒙特卡罗群常数等效均匀化

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反应堆物理计算中的边界流响应矩阵方法研究

反应堆物理计算中的边界流响应矩阵方法研究

作者：刘召远清华大学

学位级别：硕士

在反应堆物理计算中，传统的等效均匀化计算一般采用体积-通量权重法，在反射边界条件下，该方法可以确保等效前后各群反应率及平均通量守恒。但是，在边界条件产生明显变化时，该方法会有较大的计算误差。基于响应矩阵方法的基本思路... 详细信息

在反应堆物理计算中，传统的等效均匀化计算一般采用体积-通量权重法，在反射边界条件下，该方法可以确保等效前后各群反应率及平均通量守恒。但是，在边界条件产生明显变化时，该方法会有较大的计算误差。基于响应矩阵方法的基本思路，本文提出了一种新的栅元等效均匀化计算方法，通过利用栅元边界入射流与出射流之间的响应关系进行等效。与在传统方法中保证等效前后平均通量守恒不同的是，新的等效均匀化方法的目标是保证入射流与出射流以及各种不同反应率之间的响应关系守恒。与体积-通量权重法相比，新的等效均匀化方法几乎不增加计算量，而在带反射层的平板问题和二维C5G7MOX基准例题上分别进行的测试计算结果表明，在特征值和栅元功率分布的计算精度方面，新的栅元等效均匀化方法具有明显的改善作用。基于响应矩阵方法的原理，针对反应堆堆芯中存在大量重复结构这一特点，本文进一步研究了基于边界流响应矩阵的组件等效和全堆迭代计算方法。其基本思想是对组件进行等效，但并不是等效为一个均匀材料，而是利用组件表面出射流与入射流之间的响应关系进行等效。在特征值问题计算过程中，本文采用将组件各群裂变截面都除以堆芯keff的方法，使组件边界出射流与入射流的耦合关系为线性关系，从而将特征值问题转化为固定源问题。这样只需在全堆迭代前计算得到各组件的响应矩阵，再通过各组件的位置关系、利用边界流的传递与响应在全堆芯范围内进行迭代，即可求得堆芯keff以及各个组件的边界流，进而得到堆芯各处的通量分布。本文基于上述方法编写了计算程序，并在二维C5G7MOX基准例题等计算模型上进行了验证计算，取得了较高的计算效率和精度。与其他输运计算方法相比，响应矩阵方法在计算速度方面可以提高至少两个量级。本文进一步研究了在不同网格数的情况下响应矩阵方法的计算时间，验证了该方法在计算速度上的优势。而组件边界流展开的近似处理使得该方法在栅元功率分布计算精度上有待提高，为此本文提出了形状因子修正方法以及特征响应矩阵方法。形状因子修正方法可以部分改善栅元功率分布精度，而在反射边界条件下计算响应矩阵的特征响应矩阵方法则具有进一步的研究潜力。

关键词：等效均匀化边界流响应矩阵方法 C5G7MOX基准例题

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核热推进粒子球床堆堆芯物理建模及计算分析

现代应用物理 2014年第4期5卷 251-255页

作者：姜夺玉江新标王立鹏潘孝兵张信一西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室西安710024

利用MCNP程序对核热推进粒子球床堆堆芯进行物理建模,计算了堆芯临界物理参数,研究了堆芯燃料区均匀化等效建模对堆芯物理特性的影响。结果表明:合理的堆芯燃料均匀化处理可以极大地简化建模过程,中子有效增殖系数keff、中子能谱等参数... 详细信息

利用MCNP程序对核热推进粒子球床堆堆芯进行物理建模,计算了堆芯临界物理参数,研究了堆芯燃料区均匀化等效建模对堆芯物理特性的影响。结果表明:合理的堆芯燃料均匀化处理可以极大地简化建模过程,中子有效增殖系数keff、中子能谱等参数的计算结果与实际模型相差均十分微小,一般情况下可以使用燃料区均匀化等效模型代替实际模型。

关键词：粒子球床堆建模临界物理计算等效均匀化 MCNP