在核電站安全系統中，實現反應堆快速停堆的關鍵執行機構為控制棒組件。當異常工況發生時，控制棒需迅速插入堆芯，以終止核裂變反應。因此，控制棒的落棒時間成為一項至關重要的技術參數。然而，從工程角度分析，該問題遠非簡單的自由落體運動。

一、為什么落棒時間很難算清？

控制棒在導向管中的下落過程，本質上是一個多因素耦合的動力學問題，難點主要集中在以下三個方面。

1. 接觸問題：非線性接觸。 控制棒與導向管內壁持續接觸，存在摩擦、間隙、偏心等復雜因素，局部區域甚至可能出現接觸增強或卡滯，其本質是非線性接觸。

2. 結構問題：剛柔耦合效應。 控制棒屬于典型的柔性細長結構，導向管也可能發生局部變形，而結構變形會反過來影響接觸狀態，這就是剛柔耦合效應。

3. 流體問題：位置相關的動態阻力。 控制棒在水中下落時，阻力隨速度非線性變化，更重要的是導向管截面變化會引起阻力突變，導致控制棒在某些位置明顯減速甚至突然變慢。這正是傳統經驗公式難以準確描述的根本原因。

二、如何用RecurDyn建立落棒仿真模型？

針對上述復雜問題，本案例基于RecurDyn構建了完整的落棒仿真模型，涵蓋以下幾個關鍵環節。

1. 系統級動力學建模（MFBD）。 將控制棒組件與核燃料導向管統一納入多體柔性體動力學（MFBD）框架，實現結構運動、接觸作用與外部載荷的同步求解。

2. 柔性建模：FFlex。 導向管采用梁組（Beam Group），控制棒采用FFlex梁單元。FFlex適用于細長結構，可模擬彎曲和振動響應，并能與接觸算法耦合，相比剛體模型更接近真實工程行為。

3. 接觸建模：曲線-面接觸（FCurve-to-Surface）。 控制棒與導向管內壁之間采用FCurve-to-Surface接觸定義，以梁中心線為曲線、管內壁為面，支持摩擦計算和非線性接觸行為，特別適合管內運動類問題。

4. 核心難點突破：流體阻力建模。 阻力不是常數，它與速度相關，更與導向管截面變化強相關，因此必須實現隨位置和速度動態變化的阻力加載。本案例采用RecurDyn的Load USUB自定義載荷接口：編寫外部程序計算流體阻力，根據控制棒實時位置與速度動態更新阻力值，再通過USUB接口加載到模型中。這一方案實現了流體力與結構運動的耦合，能夠準確捕捉截面突變導致的阻力突變，顯著提升了仿真精度。

5. 仿真結果與試驗驗證。 完成建模后，對落棒過程進行仿真并與試驗數據對比。結果表明，落棒時間預測值與試驗結果高度一致，模型成功復現了阻力突變引起的減速現象，具備良好的工程可信度。

控制棒落棒問題是一個典型的多物理場耦合動力學問題。通過RecurDyn結合二次開發能力，可以實現結構、接觸與流體作用的統一建模，為核電安全分析提供高精度、可驗證的仿真手段。

關注我們，下期將介紹RecurDyn在更多領域的仿真應用，一起探索工業仿真的更多可能。

本文由RecurDyn原廠（杭州擬創科技有限公司）發布