【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定

2021年3月11日 浏览：1443 评论：2

【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图1

Code_Aster是法国电力集团（EDF）研发的一款开源有限元仿真软件，适用于固体力学、热学和声学等物理现象，具体细分为静力学、动力学、土-结构相互作用、流固耦合、传热学等方面的仿真分析，具备广阔的应用场景。Code_Aster通过核工业认证，满足法国核安全局和英国核监管部门要求，在各工业领域尤其是能源电力领域有大量的工程和研发应用案例。

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背景与目标

随着使用时间的推进，混凝土结构有可能出现各种老化现象，如收缩、徐变、体积变化（碱骨料反应等）以及钢筋锈蚀。这些老化现象均与混凝土中含水率随时间的演变相关。准确的测量含水率可以更好地预测混凝土含水率随时间的演变，从而更好的预测混凝土结构在寿期内不同阶段的性能。
【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图2
碱骨料反应
【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图3
 钢筋锈蚀
TDR（Time DomainReflectometry，时域反射测定法）是一种测量混凝土结构中含水率的方法。混凝土等孔隙介质的相对介电常数与其含水率具有相关性，TDR方法通过测量计算电磁波通过传感器探针的时间来获得混凝土的相对介电常数，然后根据介电常数与含水率的定量关系获得混凝土的含水率。
在本案例中，首先需要进行混凝土试块试验来标定混凝土介电常数与水含率的定量关系。混凝土试块试验一般只能得到整个试块的含水率，而不能直接获得传感器测量区的含水率。
【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图4
TDR 传感器
【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图5
  混凝土试样试验
本研究的目的为借助有限元热-水力-力学（THM）耦合建模方法来标定混凝土相对介电常数与水含率的定量关系，并且同时进行混凝土试样的干燥和再加湿试验，通过重量分析获得试样中水含率的变化，从而验证数值研究的某些因素（例如几何形状和温度）的影响。基于试验结果对仿真模型参数进行调优，给出Flamanville 3反应堆厂房的C60 BHP高性能混凝土的相对介电常数-水含率校准曲线。

02

数值建模

本研究中使用了Code_Aster中的热-水力-力学（THM）耦合模型计算混凝土中含水量的演变，建立了描述多孔介质中流体流动现象的完整建模，该完整模型既可以模拟混凝土的干燥过程，也可以模拟再加湿过程。
该模型考虑了混凝土中水力物理量和力学物理量间的相互作用以及二者与混凝土应变之间显著关联性，从而可以有效的将水力物理量和力学物理量关联起来。
在我们的案例中，建模的混凝土试样假设为 是完全刚性的，不会发生任何变形。
Code_Aster中的THM模型通过考虑两个压力未知量（气相压力和毛细压力）对热、力学和水力现象进行建模。对可能影响TDR传感器校准过程的因素进行了数值研究。因此，对于不同的混凝土试样几何形状，通过改变温度、相对湿度等来确定干燥和再加湿的时间历程。
【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图6
不同试样几何情况下的质量损失（含水率下降导致）

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混凝土试样实验

在进行数值计算的同时，还对FlamanvilleEPR的两个BHP混凝土试样的干燥和再加湿历程进行了实验测量。干燥历程由在烘箱中干燥的混凝土试样的质量变化确定。当达到平衡干燥状态时，将试样完全浸入水中，并定期记录水的质量增量，直到完全饱和。以此对试样的质量变化进行测量，并进行介电常数测量。

【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图7

【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图8

仿真模型中考虑所有试验参数的影响：

  • 试样的几何形状
  • 混凝土的材料特性
  • 温度和湿度
  • 测试的持续时间

通过THM仿真计算可以根据传感器总含水率确定传感器测量区域中含水率的变化。实验研究提供了试样含水率随TDR传感器测得的相对介电常数的变化情况。通过分析实验和数值仿真结果，得到了最终的TDR传感器校准曲线。

【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图9

【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图10

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结论

该案例在仅考虑水力物理量和力学物理量间关系的前提下，基于Code_Aster完成了混凝土结构中含水率变化的数值仿真模拟，进而对 混凝土含水率仿真模型参数调优并得到了TDR传感器的校准曲线。实验和仿真的结果对比表明，该曲线能够有效保证通过传感器的测量值得到的混凝土实际含水率的精确度。

【EDF开源CAE】基于Code_Aster对EPR安全壳含水率传感器的标定的图11
Code_Aster动力学专题培训
培训时间
2021年3月17日～19日
报名截止时间：2021年3月16日
本次培训名额为30人，名额有限，报名从速。
培训地点
远算培训教室（杭州市西湖区千岛湖智谷大厦）
拟定培训内容
1、Code_Aster软件进行固体力学仿真计算的基础操作和功能介绍
2、Code_Aster软件针对结构动力学模态&频响问题的基本解决方案和实践指导
3、Code_Aster软件针对瞬态问题的非线性和模态叠加解决方案对比和实践指导
4、Code_Aster软件在工业领域的应用实例

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