核电站日用油箱的抗震分析

2018-06-27 10:01刘银芳金维武尤国英

机械制造 2018年1期

□ 刘银芳 □ 金维武 □ 尤国英

中船重工集团第七〇三研究所无锡分部江苏无锡 214151

1 研究背景

核电站的抗震性能具有重要意义，世界上的主要核国家建立了一整套有关抗震设计与鉴定的法规、导则及规范［1-2］，为核电站的抗震安全性提供保证。核电站抗震设计与鉴定的目的是保证设备在发生安全停堆地震时能够维持结构完整性和可运行性，执行自身安全功能。核电设备的抗震鉴定方法主要有试验法［3-4］、分析法［5-6］和经验法［7］。电气设备一般以试验法为主，机械设备则大多采用分析法。分析法［8］有三种：① 等效静力地震法，计算结果偏于保守；②动态响应法，其中广泛应用的是地震响应谱法；③时间历程法，最为准确，但计算相对复杂。

某核电站柴油机辅助给水泵配套的日用油箱，属于抗震1类设备，其功能安全等级为F2。笔者应用MSC.Patran有限元前后处理软件［9］建立日用油箱的力学模型，应用MSC.Nastran有限元结构分析软件［10］进行静力分析、模态分析及地震响应分析，并依据有关设计规范和标准进行应力评定和强度校核，为日用油箱的抗震评估提供依据［11］。

2 计算方法

应用MSC.Patran进行力学建模及结果后处理，并应MSC.Nastran进行计算。固有频率计算采用MSC.Nastran中的兰乔斯法，地震响应计算采用响应谱法。响应谱法是在计算得到每个模态响应值（加速度、位移、支反力和应力等）的基础上，采用平方和的平方根法进行组合，确定结构的地震响应。

响应谱法的求解过程如下：首先进行模态分析，得到固有频率及振型；然后采用振型分解方法得到各阶模态的响应；最后利用平方和的平方根法进行组合，获得结构的地震响应。

设 ur（t）为单自由度振子由于基座运动 uB（t）而引起的响应，则有：

式中：t为时间；g为重力加速度；ω为角加速度。

物理点的实际响应 urk（t）为：

式中：φki为模态向量；ψij为残余因子。

采用平方和的平方根法进行组合：

式中：ξi为平均峰值模态的幅值

3 力学模型

3.1 结构描述

核电站日用油箱由筒体、入孔、出油口、补油口、呼吸口、溢流口和排污口等部分组成，底部用24个螺栓固定在辅助厂房的钢平台上。日用油箱有效容积为4.0 m3，设计压力为常压，设计温度为常温，工作介质为柴油，设计寿命为40年，结构如图1所示。

▲图1 日用油箱结构简图

日用油箱主要部件材料的力学性能见表1，其中材料屈服强度Sy、抗拉强度Su、许用应力S根据ASME BPVC-Ⅱ-D附录1得到。

表1 材料力学性能

3.2 有限元模型

根据日用油箱的结构特点，主要采用板壳单元和集中质量单元建立有限元计算模型，其中筒体、底板、筋板和各类管口采用板壳单元模拟，日用油箱内柴油质量附加到筒体单元上，底部螺栓处约束相应节点的三个平动自由度。日用油箱有限元计算模型图2所示，整个模型划分为15 282节点和15 174个单元。

▲图2 日用油箱有限元计算模型

进行静力分析及模态分析时，将底部螺栓处作为固定边界，约束所有节点的三个平动自由度。

进行响应谱分析时，建立一个大质量点单元模拟大地，用刚性连接的多点约束单元进行模拟，地震作用力通过多点约束单元传递到日用油箱结构上。

3.3 载荷条件

静态载荷考虑结构自重、内压力，日用油箱结构总质量为1 315 kg，重力加速度为=9.81 m/s2，作用于-Y轴方向，油箱筒体内壁受静水压力作用。

地震载荷采用设备安装所在位置的设计楼层反应谱（+3 m层），阻尼比为0.04，安全停堆地震反应谱加速度值见表2。

考虑如下两种载荷组合，分别使用限制。

（1）A级载荷：设计工况，也即正常工况，载荷为静态载荷。

（2）C级载荷：紧急工况，载荷组合为静态载荷+地震载荷。

4 应力评定准则

按照ASME BPVC-Ⅲ-1-ND、NF、附录和表ND-3321-1规定，各载荷下板壳型容器件的应力限值见表 3，其中 σm为薄膜应力，σb为弯曲应力。按照ASME BPVC-Ⅲ-1-NF-3324.6和附表NF-3225.2-1-1规定，螺栓使用应力限值见表4，其中ftb为拉压压力，fvb为剪切应力，Ftb为许用拉压应力，Fvb为许用剪切应力。