在高溫氣冷核反應堆中，控制反應速度的控制棒在遭遇地震、緊急停堆等事故時會觸發(fā)自由跌落模式。因此，建立相應的防護系統(tǒng)以吸收控制棒動能是控制棒設計體系中的重要環(huán)節(jié)。由于核反應堆內部結構的特殊性，吸能防護系統(tǒng)的設計面臨嚴苛的要求，包括吸能歷程的穩(wěn)定性、壓潰力精確控制以及高溫下的運行可靠性等。
面對上述問題，中國科學院力學研究所流固耦合系統(tǒng)力學重點實驗室沖擊與耦合效應課題組提出了基于梯度缺陷的主動控制方法來調控壓潰歷程，并通過賦予不同的梯度參數獲取不同趨勢的壓潰力演化特征。研究人員在經典薄壁圓筒基礎上，將人工預制的缺陷以內外環(huán)交疊的形式布置于筒壁上，其深度線性遞減，形成了梯度缺陷圓筒結構(Gradient grooved tube, GGT)。理論分析中，在塑性鉸理論基礎上引入梯度缺陷項，獲得了以壓潰位移為自變量的分段平均壓潰力函數，其中包含了應變強化及應變率強化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，此類結構壓潰歷程主要受三個無量綱參數控制，包括控制局部幾何協(xié)調性的無量綱凹槽寬度，控制局部穩(wěn)定性的無量綱凹槽深度以及決定屈曲模式可控性的無量綱半波長。利用數值模擬方法，研究人員深入探討了上述參數的合理范圍及其對屈曲歷程的影響規(guī)律。在相關工業(yè)部門進行的原型驗證試驗中，梯度缺陷筒表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸能特性和抗側向擾動能力，實驗過程中，吸能裝置均能保持理想的圓環(huán)形屈曲模式和穩(wěn)定的吸收歷程，獲得了總體設計單位的肯定。
薄壁圓筒作為重要的沖擊防護結構形式，在諸多領域有著實際的應用場景。該項研究實現(xiàn)了在非穩(wěn)定加載條件下對吸能壓潰歷程的精確預測及主動控制，已應用于最新的高溫氣冷核反應堆中，并有望在多類吸能構件上推廣應用。相關工作發(fā)表于《國際機械科學學報》（International Journal of Mechanical Sciences）[Wei Yanpeng; Yang Zhe; Yan He; Guo Yacong; Wu Xianqian; Huang Chenguang, International Journal of Mechanical Sciences 108-109 (2016) 49–60]。
圖1 a) 梯度環(huán)形凹槽缺陷布置示意圖 b) 梯度缺陷筒的褶皺屈曲模型
圖2 無量綱半波長對壓潰歷程的控制效果
圖3 梯度缺陷筒壓潰力的數值模擬結果與實驗結果比較
圖4 原型驗證實驗 a)模型試驗中的細長控制棒 b)控制棒沖擊梯度缺陷筒 c)完整筒受控制棒沖擊發(fā)生歐拉失穩(wěn) d）梯度缺陷筒的圓環(huán)形屈曲模式
