基于ANSYS Workbench的卷扬机抗震分析

刘 亮，王占军

(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213000)

基于ANSYS Workbench的卷扬机抗震分析

刘 亮，王占军

(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213000)

为了验证秦山核电厂扩建项目+20m翻转平台卷扬机在安全停堆地震(SSE)作用下能否保证结构完整性和可运行性，采用有限元软件ANSYS Workbench对翻转平台卷扬机(包括起升机构、底架、卷筒等)进行了建模，并通过等效静力法对其进行抗震分析，得到结构对地震载荷的响应。抗震分析所得结论表明，翻转平台卷扬机在安全停堆地震期间和之后，能保证结构的完整性，包括承压边界完整性以及卷扬机的可运行性，结构满足强度要求。

卷扬机；有限元模型；模态分析；响应谱；抗震分析

我国是一个地震频发的国家，因此分析预测不同地震载荷情况下工程结构的表现和破坏程度是十分必要的。翻转平台卷扬机作为核电站中一种传统的起落重物的承压设备，在事故工况下会受到各种各样的载荷作用，这些载荷包括重力载荷、工作载荷以及地震载荷，它的失效形式是比较复杂的。卷扬机在载荷作用下，主轴、轴承等处的振动摆度可能会超过允许值，造成转动部件和支撑系统较大的动应力。严重时，会发生碰撞和摩擦，造成磨损和破坏，从而给卷扬机吊门系统的安全可靠运行带来很大的危害。因此按照核安全法规的有关要求，需要验证卷扬机的安全性，并对卷扬机进行抗震计算，进行结构完整性及可运行性分析。

抗震分析方法发展至今，主要分为等效静力法和反应谱法。如果设备的第一阶固有频率大于地震截止频率，即设备是刚性时，一般采用等效静力法，也就是将作用在设备上的地震力以惯性力方式加载在设备的质心。如果设备的第一阶固有频率小于地震截止频率，采用反应谱法，这是一种近似的动力分析方法，设备和部件的谱分析可采用所在地的地震反应谱作为激励载荷输入。

1 卷扬机有限元模型

本项目中，卷扬机的功能是在反应堆厂房设备闸门贯穿筒节内起吊设在一高20m平台上的翻转平台。翻转平台沿一边悬挂，当设备闸门打开后，卷扬机将翻转平台放置在水平位置作为通道；当设备闸门要关闭时，卷扬机将翻转平台吊起，最终接近垂直状态。

卷扬机由电机、减速器、卷筒、制动器、带缠绕电缆设备的移动式按钮盒、钢丝绳、滑轮组、卸扣和曲柄摇把构成。由于卷扬机安装空间有限，卷扬机结构必须紧凑，卷扬机的外型尺寸控制在960mm(长)×760mm(宽)×640mm(高)以内。主要技术参数见表1，各部件质量见表2。

翻转平台的材料为Q235-B，其弹性模量为210GPa，泊松比为0.274，拉伸强度为390MPa，屈服强度为235MPa。翻转平台卷扬机抗震分析采用Pro/Engineer建模，并导入到ANSYS Workbench中划分网格，建立有限元模型。卷扬机有限元模型共有单元89 907个，节点160 723个，如图1所示[1-2]。

2 模态分析

为了解翻转平台卷扬机的基本结构动力学特性，首先需对其进行模态分析。通过模态分析可以确定机械部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们不仅是结构承受动态载荷设计中的重要参数，还是进行抗震响应谱分析的起点。本文采用 ANSYS Workbench 软件对图1所示的卷扬机有限元模型进行模态分析。对底架添加固定约束，并且不施加载荷，计算得到前5阶固有频率列于表3中，相关振型如图2～图6所示。

从图中可以看出，卷扬机在底座处变形很小，而筒体及电机结构的刚度相对较小，有较大的位移。结构的第1阶固有频率为34.677Hz，大于地震的截止频率，对卷扬机支架系统进行抗震分析时可以采用等效静力法，即从楼层反应谱中取零周期对应的加速度值作为地震输入[3]。

3 抗震分析

在ANSYS Workbench中新建静力学分析。

翻转平台卷扬机的载荷分析主要考虑工作负载、地震载荷、自重等载荷。

1)工作负载。负载为25kN。

2)重力荷载。重力方向竖直向下，加速度大小为1g。

3)地震载荷。翻转平台卷扬机安装在标高+20m处，根据秦山核电厂扩建项目方家山核电工程抗震分析规格书中的相关规定，得到标高+20.0m处的SSE楼层反应谱，取样值见表4～表6。从楼层反应谱中取零周期对应的加速度值作为地震输入。进行抗震分析时，将3个方向零周期加速度以惯性力方式加载在质心[4]。

从表4～表6可知，水平X方向零周期加速度为5.16m/s2，水平Y方向零周期加速度为9.97m/s2，竖直Z方向零周期加速度为2.290m/s2。将各方向加速度与卷扬机质量的乘积作为惯性力加载在质心。

分别对卷扬机转子系统和支架系统进行应力分析。

支架系统整体变形和应力分布如图7～8所示。可以看出，支架系统整体变形很小。

支架系统的最大主应力的值为43.842MPa，位于支架系统底座处，分布的区域极小。支架系统的平均应力水平约为32.372MPa。

转子系统整体变形和应力分布如图9～10所示。可以看出，转子系统整体变形很小。

转子系统的最大主应力的值为59.501MPa，位于主轴端部，分布的区域极小。转子系统的平均应力水平约为48.845MPa。

Q235-B的屈服强度为235MPa，在20℃时的许用应力为113MPa。故支架系统和转子系统各部分最大主应力均小于材料许用应力，满足强度要求。

对主轴应力进行评定。

卷扬机运行速度为3m/min，卷筒直径为310mm，故主轴转速为

电机功率为2.2kW，则轴传递的转矩为

主轴直径为70mm，可由极惯性矩公式算得轴截面极惯性矩

故由转矩引起的最大剪应力

为保守计算，将主轴在转矩载荷作用下的最大剪应力与地震工况作用下的最大应力直接进行绝对值相加，得到主轴上的最大应力值(4.69+104.04=108.73MPa)，小于主轴材料的许用应力113MPa[5-6]。

此外，翻转平台卷扬机转子系统相对支架系统的变形需满足功能要求评定。由图10可知，卷扬机转子系统在地震载荷和工作载荷作用下，转子系统的最大相对变形为0.057 7mm，远小于转子系统与支架系统间的最小间隙1.7mm，即卷扬机转子系统在事故工况下能够保证可运行性。

4 结束语

本文应用大型有限元分析软件ANSYSWorkbench对翻转平台卷扬机进行了模态分析和抗震分析。通过抗震分析可知：翻转平台卷扬机的各零部件在地震载荷的作用下能满足结构的强度要求；卷扬机转子系统的摆动幅度小于转子系统和支架系统之间的间隙，部件之间不会产生干扰及磨损，卷扬机能持续有效地运行。抗震分析所得结论说明，在安全停堆地震的作用下，翻转平台卷扬机能保证结构的强度，且各零部件能持续有效运行，卷扬机满足抗震要求。

[1] 陈艳霞，陈磊．ANSYSWorkbench工程应用案例精通[M]．北京：电子工业出版社，2012.

[2] 高耀东，宿福存，李震，等．ANSYSWorkbench机械工程应用精华30例[M]．北京：电子工业出版社，2013.

[3] 周盼，丁旭权．基于谱分析方法的日用燃油罐抗震分析[J]．中国水运，2014，14(1)：370-372.

[4] 邓晶晶．柴油发电机组抗震分析[J]．振动与冲击，2009，28(12)：193-197.

[5] 匡中华．辅助给水电动泵抗震分析和抗震试验[D]．沈阳：东北大学，2009.

[6]TheAmericanSocietyofMechanicalEngineer．ASMEboiler&pressurevesselcodeⅢ[S].

Seismic analysis of hoist based on ANSYS Workbench

LIU Liang, WANG Zhanjun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Jiangsu Changzhou, 213000, China)

The turning platform hoist is a traditional pressure equipment to lift weights in nuclear power station and it is always in dangerous condition. In order to verify the integrity and operation of the structure for the +20m turning platform hoist of expansion project of Qinshan nuclear power plant under the safe shutdown earthquake (SSE), this paper uses the finite element software ANSYS Workbench to create the model of the turning platform hoist (including hoisting mechanism, frame and drum), takes the equivalent static method to do the seismic analysis, analyzes the response of the structure under earthquake loads. The results of seismic analysis show that the hoist can guarantee structural integrity, during and after safe shutdown earthquake(SSE), the structure can satisfy the requirement of strength at boundary integrity and hoist the performability.

hoist; finite element model; modal analysis; response spectrum; seismic analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.05.004

2015-04-02

刘亮(1990—)，男，湖南株洲人，河海大学机电工程学院硕士研究生，主要研究方向为结构有限元分析。

TB123

A

2095-509X(2015)05-0016-04