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第1篇

論文關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),開(kāi)合結(jié)構(gòu),動(dòng)力學(xué)分析

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Control Rod Drive Mechanism，CRDM）（簡(jiǎn)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）是核反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)，也是核反應(yīng)堆本體中唯一的運(yùn)動(dòng)設(shè)備，其安全性和可靠性直接影響到反應(yīng)堆的安全與運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要按照指令提升、下插、保持和斷電釋放控制棒組件，從而完成反應(yīng)堆啟動(dòng)、調(diào)節(jié)功率、維持功率、正常停堆和安全停堆。目前世界上已研制有磁力提升型、鏈輪鏈條型、齒輪齒條型、水力驅(qū)動(dòng)型、直線電機(jī)型等多種原理的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的K型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它依靠開(kāi)合結(jié)構(gòu)的不同狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)部件與控制棒組件連接桿的嚙合或脫離。當(dāng)開(kāi)合結(jié)構(gòu)通電處于閉合狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部件與控制棒組件連接桿嚙合，通過(guò)傳動(dòng)部件可以實(shí)現(xiàn)提升、下插和保持控制棒組件；當(dāng)開(kāi)合結(jié)構(gòu)斷電處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部件與控制棒組件連接桿脫離，從而可以快速釋放控制棒組件。

本文建立了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)合結(jié)構(gòu)的電磁結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件LMS Virtual.lab Motion中建立了開(kāi)合結(jié)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)MATLAB和LMS的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了MATLAB中電磁計(jì)算結(jié)果和LMS中動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算得到的運(yùn)行學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換，從而獲得了開(kāi)合結(jié)構(gòu)整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可以作為開(kāi)合結(jié)構(gòu)限位蓋、轉(zhuǎn)臂等零件的強(qiáng)度校核輸入。

1 結(jié)構(gòu)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的開(kāi)合結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中密封殼為反應(yīng)堆一回路壓力邊界，密封殼外部安裝有電磁線圈和磁軛，內(nèi)部安裝有由芯軸、轉(zhuǎn)臂、彈簧、限位蓋等零件組成的傳動(dòng)部件，限位蓋與芯軸相對(duì)位置固定，兩個(gè)轉(zhuǎn)臂可以繞芯軸的回轉(zhuǎn)副自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)對(duì)線圈斷電時(shí)，轉(zhuǎn)臂在彈簧的作用下右側(cè)處于打開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)對(duì)線圈通以足夠大的電流時(shí)，轉(zhuǎn)臂在電磁力作用下，克服彈簧阻力矩、回轉(zhuǎn)副的摩擦阻力距，旋轉(zhuǎn)到與限位蓋碰撞接觸，使轉(zhuǎn)臂的右側(cè)處于閉合狀態(tài)。

在線圈通電時(shí)，轉(zhuǎn)臂隨著轉(zhuǎn)動(dòng)位置的不同，電磁力會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)臂與密封殼氣隙的變化而變化；彈簧力會(huì)隨著壓縮長(zhǎng)度的變化而變化；摩擦阻力也會(huì)隨著轉(zhuǎn)臂的單邊磁拉力、彈簧力和運(yùn)動(dòng)速度變化而變化，因此轉(zhuǎn)子臂旋轉(zhuǎn)的加速度不是恒定不變的。若要準(zhǔn)確獲得的轉(zhuǎn)臂碰撞限位蓋時(shí)速度，需不斷地迭代計(jì)算轉(zhuǎn)臂不同時(shí)刻不同位置所受的電磁力、彈簧力、摩擦力，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

3 虛擬樣機(jī)

LMS Virtual.lab Motion是LMS Virtual.lab虛擬試驗(yàn)室提供的多體動(dòng)力學(xué)仿真模塊，能夠高效、精確地對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析。作業(yè)管理系統(tǒng)論文由于開(kāi)合結(jié)構(gòu)的電磁分析由MATLAB根據(jù)電磁計(jì)算數(shù)學(xué)模型進(jìn)行，在LMS Virtual.lab Motion中僅需要根據(jù)計(jì)算得到的力矩對(duì)轉(zhuǎn)臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，為簡(jiǎn)化虛擬樣機(jī)模型，因此在LMS Virtual.lab Motion中多體建模時(shí)只需包括開(kāi)合結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂、芯軸、限位蓋、彈簧。

使用三維建模軟件Inventor建立控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)合結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型所需零件的三維模型，包括轉(zhuǎn)臂、芯軸、限位蓋，裝配完成后將其導(dǎo)入到LMS Virtual.lab Motion當(dāng)中。根據(jù)圖1所示的開(kāi)合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，對(duì)虛擬樣機(jī)各零件創(chuàng)建相應(yīng)的約束，約束的主要類(lèi)型有固定副（Bracket Joint）、旋轉(zhuǎn)副（Revolute Joint），其中還需要對(duì)轉(zhuǎn)臂和芯軸的旋轉(zhuǎn)副定義摩擦系數(shù)；限位蓋和轉(zhuǎn)臂之間最終會(huì)發(fā)生碰撞，因此二者之間需創(chuàng)建碰撞約束（Contact Forces）；在兩個(gè)轉(zhuǎn)臂之間創(chuàng)建彈簧（TSDA）。在轉(zhuǎn)臂上通過(guò)三點(diǎn)力（Three Point Force）創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)力矩（Torque），驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)；創(chuàng)建傳感器（Sensor）測(cè)量轉(zhuǎn)臂左端轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角速度、角加速度以及線速度。

為建立開(kāi)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)，需要將LMS Virtual.lab Motion虛擬樣機(jī)模型的轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)Output功能接收；測(cè)量的轉(zhuǎn)臂左端轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角速度、角加速度以及與限位蓋接觸位置轉(zhuǎn)臂處的線速通過(guò)Input功能傳出，并設(shè)置通過(guò)三維系統(tǒng)Matlab-Cosim求解器求解，生成與MATLAB Simulink的接口“plantout”，如圖3所示。“plantout”為封裝完畢的接口，雙擊該接口可以得到接口內(nèi)部信息，其中vlmotionmex為MATLAB Simulink中的LMS求解器。

4 聯(lián)合仿真