吸能部件及其超材料设计方法、和压扁型防甩击装置 |
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| 申请号 | CN202311750860.2 | 申请日 | 2023-12-19 | 公开(公告)号 | CN117847131A | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 中核能源科技有限公司; | 发明人 | 何铮; 胡宏伟; 杨海清; 蔡煜; 张国强; 胡立邦; 顾水涛; 张艳芝; 石琦; 陈景; 高旭; 郭震; 陈雪春; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供了一种吸能部件及其超材料设计方法、和压扁型防甩击装置，该吸能部件由至少一个吸能胞元组成。吸能部件的吸能范围由峰值反 力 和 变形 吸收 能量 确定。吸能部件的峰值反力和变形吸收能量由至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式确定。本申请通过设计吸能部件的峰值反力和变形吸收能量由至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式确定，从而可以通过调整至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式来调整吸能部件的峰值反力和变形吸收能量，实现了采用超材料设计方法使得吸能部件的峰值反力和变形吸收能量有可定制的特点，相应地，吸能部件的吸能范围也实现具有可定制的特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种吸能部件，其特征在于，由至少一个吸能胞元组成，其中， |
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| 说明书全文 | 吸能部件及其超材料设计方法、和压扁型防甩击装置技术领域[0001] 本申请属于核电安全防护技术领域，具体涉及一种吸能部件及其超材料设计方法、和压扁型防甩击装置。 背景技术[0003] 高能管道由于所属系统运行压力与管道管径不同，发生破裂时甩击能量大小不一。现有压扁型防甩击装置的设计形式无法适用于不同吸能范围、不同管径和布置空间，因此样式繁多，造成设计、制造、安装要求高，不满足核电站标准化设计要求。 [0004] 此外，压扁型防甩击装置不但要具有优秀的变形吸收能量特性，而且还应具有平稳的峰值反力。核电站中现有工程应用的防甩击装置，很难同时满足上述两个特点。即使可同时满足，但在实际受到偏心甩击力情况下，无法达到预期性能。发明内容 [0005] 有鉴于此，本申请实施例致力于提供一种吸能部件及其超材料设计方法、和压扁型防甩击装置，通过采用超材料设计方法使得吸能部件的吸能范围实现可定制的特点，并将该吸能部件应用于压扁型防甩击装置中，以解决现有的压扁型防甩击装置难以满足不同吸能范围、不同管径和布置空间等核电站标准化设计要求的问题。 [0006] 本申请第一方面提供了一种吸能部件，该吸能部件由至少一个吸能胞元组成。吸能部件的吸能范围由峰值反力和变形吸收能量确定。吸能部件的峰值反力和变形吸收能量由至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式确定。 [0007] 在上述方案中，通过设计吸能部件的峰值反力和变形吸收能量由至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式确定，从而可以通过调整至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式来调整吸能部件的峰值反力和变形吸收能量，实现了采用超材料设计方法使得吸能部件的峰值反力和变形吸收能量有可定制的特点，相应地，吸能部件的吸能范围也实现具有可定制的特点。 [0008] 在本申请一个具体实施方式中，至少一个吸能胞元为多个吸能胞元。在平面内，不同的吸能胞元之间采用并联连接。吸能部件的峰值反力和变形吸收能量均随着并联胞数的增加而增加。 [0009] 在本申请一个具体实施方式中，在垂直平面的方向上，不同的吸能胞元之间采用串联连接，在面内胞数相同时，吸能部件的峰值反力随着串联胞数的增加保持不变，吸能部件的变形吸收能量随着串联胞数的增加而增加。 [0010] 在本申请一个具体实施方式中，吸能胞元上设有多个开孔，开孔的形状包括正方形、圆形、矩形或菱形。 [0011] 在本申请一个具体实施方式中，至少一个吸能胞元排布后构成三维空间结构，三维空间结构包括正方体、长方体、圆柱体或球体。 [0012] 本申请第二方面提供了一种压扁型防甩击装置，该压扁型防甩击装置包括左安装组件、右安装组件和本申请第一方面的吸能部件。右安装组件与待防护对象连接。吸能部件与左安装组件和右安装组件连接。吸能部件的吸能范围与待防护对象相匹配。 [0013] 在本申请一个具体实施方式中，吸能部件的形状与工程安装空间需求相匹配。 [0014] 在本申请一个具体实施方式中，待防护对象包括核电厂关键机械设备、土建结构或其他工程领域安全防护对象。 [0015] 本申请第三方面提供了一种吸能部件的超材料设计方法，该吸能部件的超材料设计方法包括：依据待防护对象确定工程需要的目标吸能范围；设计单个吸能胞元的结构形式并确定单个吸能胞元的实际吸能范围；根据实际工程安装空间需求，将至少一个吸能胞元进行串联、并联组成吸能部件；根据吸能部件的空间布置方案和外观形状确定吸能部件的吸能范围；将目标吸能范围与吸能部件的吸能范围进行比较；若比较结果一致时，则直接将吸能部件应用于压扁型防甩击装置中；若比较结果不一致时，则重复上述步骤进行迭代直至确定在目标吸能范围内的吸能部件，并将吸能部件应用于压扁型防甩击装置中。附图说明 [0016] 图1所示为本申请一实施例提供的一种吸能胞元的结构示意图。 [0017] 图2所示为本申请第一实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0018] 图3所示为本申请第二实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0019] 图4所示为本申请第三实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0020] 图5所示为本申请第四实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0021] 图6所示为本申请第五实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0022] 图7所示为本申请第六实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0023] 图8所示为本申请第七实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0024] 图9所示为本申请第八实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0025] 图10所示为本申请第九实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0026] 图11所示为图10所示实施例中吸能部件的俯视示意图。 [0027] 图12所示为本申请第十实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0028] 图13所示为本申请第十一实施例提供的一种吸能部件的结构示意图。 [0029] 图14所示为本申请一实施例提供的一种吸能部件与现有的其他两种防甩装置的性能曲线对比示意图。 [0030] 图15所示为本申请一实施例提供的一种吸能部件的超材料设计方法的流程示意图。 具体实施方式[0031] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0032] 本申请至少一实施例提供了一种吸能部件，该吸能部件由至少一个吸能胞元组成。吸能部件的吸能范围由峰值反力和变形吸收能量确定。吸能部件的峰值反力和变形吸收能量由至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式确定。如此，通过设计吸能部件的峰值反力和变形吸收能量由至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式确定，从而可以通过调整至少一个吸能胞元的总胞数及排布方式来调整吸能部件的峰值反力和变形吸收能量，实现了采用超材料设计方法使得吸能部件的峰值反力和变形吸收能量有可定制的特点，相应地，吸能部件的吸能范围也实现具有可定制的特点。 [0033] 吸能胞元具有特定的形状、尺寸、材料属性和吸能特性等，可以根据实际需求设定，本申请实施例对此不做具体限定。举例来说，如图1所示，单个吸能胞元可以具有方型管状结构特征，截面尺寸为LxL，长度为H，壁厚为t，材料属性为6061‑0铝合金。 [0034] 在本申请至少一实施例中，至少一个吸能胞元排布后构成三维空间结构，三维空间结构包括正方体、长方体、圆柱体或球体。如此，通过将至少一个吸能胞元在三维空间内进行排布，使得至少一个吸能胞元通过不同的排布方式构成不同形状的三维空间结构，不同形状的三维空间结构具有不同的吸能范围。 [0036] 在本申请至少一实施例中，至少一个吸能胞元为多个吸能胞元。在平面内，不同的吸能胞元之间采用并联连接。吸能部件的峰值反力和变形吸收能量均随着并联胞数的增加而增加。 [0037] 举例来说，在平面内，四个吸能胞元之间采用并联连接可以是如图2所示的并联成两行两列，也可以是并联成一行四列。 [0038] 根据变形吸收能量、峰值反力定制目标的要求，吸能胞元数量可以增加或减少。举例来说，图2所示的吸能部件为单层四胞(2xLx1xH)，图3所示的吸能部件为单层九胞(3xLx1xH)，图4所示的吸能部件为单层十六胞(4xLx1xH)，图5所示的吸能部件为单层二十五胞(5xLx1xH)。采用相同设置，仅考虑并联(L倍数变化)因素不同，图1至图5所示的吸能部件对应的性能参数如下表1所示。表1中的Shell边长是指厚度中面边长。 [0039] 表1定制并联结构(L倍数变化)对吸能范围的影响 [0040] [0041] 从上表1所示的结果可以看出，随着并联胞数的增加，峰值反力与变形吸收能力成倍增加，且两者增长倍数基本上保持一致。 [0042] 在本申请至少一实施例中，在垂直平面的方向上，不同的吸能胞元之间采用串联连接，在面内胞数相同时，吸能部件的峰值反力随着串联胞数的增加保持不变，吸能部件的变形吸收能量随着串联胞数的增加而增加。如此，可以通过在垂直平面的方向上，在面内胞数相同时，通过增加串联连接的吸能胞元的数量，以实现保持峰值反力不变而提高变形吸收能量。 [0043] 举例来说，吸能胞元可以在H方向上进行串联，图6所示的吸能部件为双层四胞(2xLx1xH)，图7所示的吸能部件为双层九胞(3xLx1xH)，图8所示的吸能部件为双层十六胞(4xLx1xH)，图9所示的吸能部件为双层二十五胞(5xLx1xH)的排布方式。采用相同设置，仅考虑串联(H倍数变化)因素不同，1xLx2xH结构及图6至图9所示的吸能部件对应的性能参数如下表2所示。 [0044] 表2定制串联结构(H倍数变化)对吸能范围的影响 [0045] [0046] 对比表2和表3可知，当面内胞数相同时，随着串联(层数)胞数的增加，峰值反力基本保持不变，而变形吸收能量与串联胞数的增加倍数规律基本上保持一致，都增加了一倍。 [0047] 在本申请至少一实施例中，吸能胞元上设有多个开孔，开孔的形状包括正方形、圆形、矩形或菱形。如此，通过在吸能胞元上增加开孔可改善峰值反力的平稳度，开孔后峰值反力和变形吸收能量都有所降低。 [0048] 举例来说，吸能部件上可以开有正方形孔洞，局部开孔样式如图10和11所示。吸能部件上也可以开有菱形孔洞，如图12所示。吸能部件上还可以开有矩形孔洞，如图13所示。 [0049] 本申请实施例提供的吸能部件与其他两种吸能部件性能对比如图14所示。本申请实施例的吸能部件与现有吸能部件的吸能数据对比表如下表3所示。图14和表3均为偏心加载仿真模拟结果。图14和表3中的有孔四胞的吸能部件为图10所示的吸能部件的一具体实施例。 [0050] 表3本申请实施例的吸能部件与现有吸能部件的吸能数据对比表 [0051] [0052] 从图14和表3可以看出，本申请实施例提供的吸能部件在偏心冲击载荷下，峰值反力在三者中最低，无明显增高趋势，且变形吸收能量三者中最优。因此在偏心载荷下仍能维持原设计的防护功效，有效降低甩击的影响。 [0053] 本申请至少一实施例还提供了一种压扁型防甩击装置，该压扁型防甩击装置包括左安装组件、右安装组件和本申请实施例的吸能部件。右安装组件与待防护对象连接。吸能部件与左安装组件和右安装组件连接。吸能部件的吸能范围与待防护对象相匹配。 [0054] 本申请实施例提供的压扁型防甩装置在几何尺寸更小，质量更轻的情况下，具有更优异的吸能性能。此外，在承受偏心载荷后具有较好的吸能效果(与单个吸能部件的吸能效果基本上一致)，且峰值反力不超过额定反力，仍然具有优秀的吸能特性，防护措施依然有效。该装置使用了采用超材料设计方法设计的吸能部件，使设计出的压扁型防甩装置具有峰值反力和变形吸收能量有可定制的特点，满足核电站不同规格高能管道防甩件标准化设计要求，也同样适用于其他工程领域。 [0055] 在本申请至少一实施例中，吸能部件的形状与工程安装空间需求相匹配。如此，由于多个吸能胞元排布后的空间形状各异，可以根据工程安装空间需求进行适应性地调整多个吸能胞元排布的方式，从而实现通过调整吸能部件的形状使得吸能部件的形状能够满足工程安装空间需求。 [0056] 在本申请至少一实施例中，待防护对象包括核电厂关键机械设备、土建结构或其他工程领域安全防护对象。 [0057] 本申请至少一实施例还提供了一种吸能部件的超材料设计方法，如图15所示，该吸能部件的超材料设计方法包括以下步骤。 [0058] S1：依据待防护对象确定工程需要的目标吸能范围。 [0059] S2：设计单个吸能胞元的结构形式并确定单个吸能胞元的实际吸能范围。 [0060] S3：根据实际工程安装空间需求，将至少一个吸能胞元进行串联和/或并联组成吸能部件。 [0061] S4：根据吸能部件的空间布置方案和外观形状确定吸能部件的吸能范围。 [0062] S5：将目标吸能范围与吸能部件的吸能范围进行比较。 [0063] S6：若比较结果一致时，则直接将吸能部件应用于压扁型防甩击装置中。 [0064] S7：若比较结果不一致时，则重复上述步骤进行迭代直至确定在目标吸能范围内的吸能部件，并将吸能部件应用于压扁型防甩击装置中。 [0065] 在一些实施例中，可以是重复步骤S2至S5进行迭代直至确定在目标吸能范围内的吸能部件，并将吸能部件应用于压扁型防甩击装置中。在另一些实施例中，可以是重复步骤S3至S5进行迭代直至确定在目标吸能范围内的吸能部件，并将吸能部件应用于压扁型防甩击装置中。 [0066] 该吸能部件的超材料设计方法为上述本申请实施例中的吸能部件对应的设计方法，也为上述本申请实施例中的压扁型防甩击装置中吸能部件的选用方法，相关技术特征及有益效果可参考上述吸能部件和压扁型防甩击装置相关实施例中的描述，此处不再赘述。 [0067] 需要说明的是，本申请实施例中各技术特征的组合方式并不限本申请实施例中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本申请所记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。 |
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