核安全壳复合敏感层数值模拟实验与反演研究

摘要

本课题是在国家自然科学基金资助项目“基于核安全壳应力监测的复合敏感层传感机理及其成像”(项目编号50878169)的资助下，以结构的服役状态监测为目的，对碳纤维智能层监测核安全壳结构的受力状态做了数值模拟实验研究，并研制了一套比较准确和可行的碳纤维智能层ERT反演系统实现对结构的健康监测。
　　 具体的研究内容及成果有：
　　 (1)以第三代核安全壳为工程背景，研究了安全壳结构的服役状态监测。通过有限元软件ANSYS建立了预应力核安全壳结构的有限元模型，重点解决了预应力筋的布置。对核安全壳在正常工作状况(自重和预应力作用)下进行计算分析，结果表明核安全壳整体处于受压状态，并且在设计强度之内。对核安全壳在事故内压状况(自重、预应力和事故内压0.4MPa)下进行计算分析，结果表明核安全壳结构在事故内压下仍处于弹性受力状态，即处于安全状态。因此，本文建立的核安全壳有限元模型大体上是合理和正确的。
　　 (2)基于碳纤维智能层良好的传感特性和导电性，将其敷设在核安全壳结构的表面来监测结构的受力状态。通过有限元软件ANSYS建立了核安全壳和碳纤维智能层的有限元模型，进行压阻耦合场分析。采用条状的碳纤维智能层敷设在核安全壳结构简体的环向，监测筒体结构的环向应变。由监测数据计算得到的智能层电阻率的分布和结构的环向应变有很好的对应关系。表明条状碳纤维智能层监测结构的应变是可行的，效果是比较显著的。
　　 (3)结合核安全壳实际工程，编制了复杂形状的碳纤维智能层ERT反演系统，其中复杂形状指柱面和球面下的任意形状。ERT反演系统由正演问题和反演问题两部分构成，正演部分采用有限元方法求解，反演部分采用修止的牛顿-拉夫逊(modified Newton Raphson-MNR)法求解，并推导了柱坐标系和球坐标系下的电场能系数矩阵。在核安全壳穹顶和筒体各敷设一区域碳纤维智能层，对结构进行场域监测，并采集电极的电压数据。将场域监测的结果导入ERT反演系统得到敏感层的电阻率分布，其电阻率的分布能真实的反应结构的体积应变。结果表明本文研制的ERT反演系统应用于碳纤维智能层在复杂应变状态下的监测是可行的。