【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定

CAE璐姐

2021年3月11日 16:43

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【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖1

Code_Aster是法國電力集團(tuán)（EDF）研發(fā)的一款開源有限元仿真軟件，適用于固體力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等物理現(xiàn)象，具體細(xì)分為靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、土-結(jié)構(gòu)相互作用、流固耦合、傳熱學(xué)等方面的仿真分析，具備廣闊的應(yīng)用場景。Code_Aster通過核工業(yè)認(rèn)證，滿足法國核安全局和英國核監(jiān)管部門要求，在各工業(yè)領(lǐng)域尤其是能源電力領(lǐng)域有大量的工程和研發(fā)應(yīng)用案例。

背景與目標(biāo)

隨著使用時(shí)間的推進(jìn)，混凝土結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)各種老化現(xiàn)象，如收縮、徐變、體積變化（堿骨料反應(yīng)等）以及鋼筋銹蝕。這些老化現(xiàn)象均與混凝土中含水率隨時(shí)間的演變相關(guān)。準(zhǔn)確的測量含水率可以更好地預(yù)測混凝土含水率隨時(shí)間的演變，從而更好的預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)在壽期內(nèi)不同階段的性能。

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖2

堿骨料反應(yīng)

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖3

鋼筋銹蝕

TDR（Time DomainReflectometry，時(shí)域反射測定法）是一種測量混凝土結(jié)構(gòu)中含水率的方法。混凝土等孔隙介質(zhì)的相對介電常數(shù)與其含水率具有相關(guān)性，TDR方法通過測量計(jì)算電磁波通過傳感器探針的時(shí)間來獲得混凝土的相對介電常數(shù)，然后根據(jù)介電常數(shù)與含水率的定量關(guān)系獲得混凝土的含水率。

在本案例中，首先需要進(jìn)行混凝土試塊試驗(yàn)來標(biāo)定混凝土介電常數(shù)與水含率的定量關(guān)系。混凝土試塊試驗(yàn)一般只能得到整個(gè)試塊的含水率，而不能直接獲得傳感器測量區(qū)的含水率。

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖4

TDR 傳感器

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖5

混凝土試樣試驗(yàn)

本研究的目的為借助有限元熱-水力-力學(xué)（THM）耦合建模方法來標(biāo)定混凝土相對介電常數(shù)與水含率的定量關(guān)系，并且同時(shí)進(jìn)行混凝土試樣的干燥和再加濕試驗(yàn)，通過重量分析獲得試樣中水含率的變化，從而驗(yàn)證數(shù)值研究的某些因素（例如幾何形狀和溫度）的影響。基于試驗(yàn)結(jié)果對仿真模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，給出Flamanville 3反應(yīng)堆廠房的C60 BHP高性能混凝土的相對介電常數(shù)-水含率校準(zhǔn)曲線。

數(shù)值建模

本研究中使用了Code_Aster中的熱-水力-力學(xué)（THM）耦合模型計(jì)算混凝土中含水量的演變，建立了描述多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)現(xiàn)象的完整建模，該完整模型既可以模擬混凝土的干燥過程，也可以模擬再加濕過程。

該模型考慮了混凝土中水力物理量和力學(xué)物理量間的相互作用以及二者與混凝土應(yīng)變之間顯著關(guān)聯(lián)性，從而可以有效的將水力物理量和力學(xué)物理量關(guān)聯(lián)起來。

在我們的案例中，建模的混凝土試樣假設(shè)為是完全剛性的，不會發(fā)生任何變形。

Code_Aster中的THM模型通過考慮兩個(gè)壓力未知量（氣相壓力和毛細(xì)壓力）對熱、力學(xué)和水力現(xiàn)象進(jìn)行建模。對可能影響TDR傳感器校準(zhǔn)過程的因素進(jìn)行了數(shù)值研究。因此，對于不同的混凝土試樣幾何形狀，通過改變溫度、相對濕度等來確定干燥和再加濕的時(shí)間歷程。

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖6

不同試樣幾何情況下的質(zhì)量損失（含水率下降導(dǎo)致）

混凝土試樣實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的同時(shí)，還對FlamanvilleEPR的兩個(gè)BHP混凝土試樣的干燥和再加濕歷程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。干燥歷程由在烘箱中干燥的混凝土試樣的質(zhì)量變化確定。當(dāng)達(dá)到平衡干燥狀態(tài)時(shí)，將試樣完全浸入水中，并定期記錄水的質(zhì)量增量，直到完全飽和。以此對試樣的質(zhì)量變化進(jìn)行測量，并進(jìn)行介電常數(shù)測量。

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖7

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖8

仿真模型中考慮所有試驗(yàn)參數(shù)的影響：

試樣的幾何形狀
混凝土的材料特性
溫度和濕度
測試的持續(xù)時(shí)間

通過THM仿真計(jì)算可以根據(jù)傳感器總含水率確定傳感器測量區(qū)域中含水率的變化。實(shí)驗(yàn)研究提供了試樣含水率隨TDR傳感器測得的相對介電常數(shù)的變化情況。通過分析實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果，得到了最終的TDR傳感器校準(zhǔn)曲線。

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖9

【EDF開源CAE】基于Code_Aster對EPR安全殼含水率傳感器的標(biāo)定的圖10

結(jié)論

該案例在僅考慮水力物理量和力學(xué)物理量間關(guān)系的前提下，基于Code_Aster完成了混凝土結(jié)構(gòu)中含水率變化的數(shù)值仿真模擬，進(jìn)而對混凝土含水率仿真模型參數(shù)調(diào)優(yōu)并得到了TDR傳感器的校準(zhǔn)曲線。實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果對比表明，該曲線能夠有效保證通過傳感器的測量值得到的混凝土實(shí)際含水率的精確度。