某照明控制箱有限元分析与评定*

刘恒达

(同济大学，上海 200092)

0 引 言

随着经济社会的发展，核电因其更清洁成本更低的能源特点受到了广泛的关注。正常情况下，核电产生的污染物远少于火电，运行成本也低于光伏等其他新型能源[1]。核电厂中，核电设备的正常运转是整个核电厂正常运作的关键，而照明控制系统作为其中重要的一环，其主要功能是为反应堆厂房、核辅助厂房等提供厂房工作照明，以及220V 交流单相插座电源[2]。为了确保照明控制系统在发生安全停堆地震(SSE) 时能够保证结构完整性和可运行性，对其进行抗震计算分析与安全性评定十分必要[3]。

就某核电厂照明控制系统中的主控室与远距离停堆室照明调光盘箱体进行抗震计算分析，并根据相关标准规范对其计算结果进行应力评定，判断其是否满足规范设计要求。

1 模 型

1.1 箱体结构概况

箱体外轮廓尺寸为500mm×500mm×150mm，外部由盖子、箱体、耳柄、铰链与固定螺栓组成，内部包括定位螺栓、元器件板与附着其上的各类元器件，箱体总质量约为26.5kg。模型建立过程中，对于箱体、盖子、耳柄和内部元器件安装板等均采用板壳单元(S4R单元)模拟，不模拟箱体内设备刚度，视其质量均匀附加在元器件板上。各类螺栓采用实体单元(C3D8R单元)模拟，箱体模型见图1。

图1 照明控制箱模型

1.2 材料特性

箱体所用材料均为304不锈钢，所有板材厚度为2.0mm，固定螺栓为6.8级304不锈钢螺栓。在《ASME-AG-1-2015》中，非承压与非紧固件许用应力取值为Sm=min(2Sy/3,Su/4)；紧固件许用应力取值为Sm=min(Re/4,Rm/5)；各材料常温下的力学性能参数见表1。

1.3 荷载与边界条件

重力荷载考虑箱体结构自重及箱体内各构件重量，重力加速度取值g=9.80m/s2。地震作用考虑运行基准地震为SL-1，安全停堆地震为SL-2，其中SL-1取1/2SSE，SL-2取SSE。荷载组合考虑三种工况：(1)正常工况(A级使用荷载)荷载组合：DW；(2)异常工况(B级使用荷载)荷载组合：DW+SL-1；(3)事故工况(D级使用荷载)荷载组合：DW+SL-2。模拟现场安装条件，箱体为挂墙安装，为四周固定螺栓位移边界条件。

表1 箱体结构材料常温下力学性能参数

图1 箱体结构第1阶振型

图2 箱体结构第2阶振型

图3 箱体结构第4阶振型

图4 箱体结构第5阶振型

2 分析与判定方法

2.1 反应谱法

反应谱分析法是一种弹性分析方法，为得到多自由度体系的地震响应，该方法基于单自由度体系的加速度设计反应谱与振型分解计算的原理，先求解各阶振型对应的等效地震响应，然后按照一定的组合原则对各阶振型的地震响应进行叠加组合，最终得到目标结果。

2.2 判定准则

该调光盘箱体结构主要受力构件均属于板壳型构件，即构件厚度远小于其他两个方向的几何长度，此类构件按照《ASME-AG-1-2015》中TABLE AA-4321 的设计要求进行评定；固定螺栓则按照ASME 第Ⅲ卷第一册NF分卷NF3324中的要求评定，具体准则见表2-4，其中，σm为薄膜应力，σm+σb为弯曲应力。

表2 板壳型支撑构件应力评定准则

表3 固定螺栓应力评定准则

表4 定位螺栓应力评定准则

3 计算结果与评定

3.1 动力特性计算结果

先通过ABAQUS对模型结构进行模态分析，在保证相当的累计参与质量的前提下，计算结构的前60阶模态，其频率均位于37.715HZ-508.95HZ之间，XY三个方向的累计参与质量比为99.56%99.36%99.28%，模型第1、2、4、5阶振型见图1-4。

3.2 应力计算结果与评定

输入反应谱，并将ABAQUS中XY三个方向的计算结果采用“SRSS” 的方法进行振型组合，得到该箱体各主要受力构件包括连接固定螺栓在各工况下的最不利应力，其中B、D级工况下各构件的应力计算结果与评定结果见表5-6。

表5 各主要受力构件最不利位置应力计算结果与评定

表6 螺栓应力计算结果与评定

4 结 论

核电厂照明控制系统在地震发生时保证一定的完整性同时能正常运行对整个核电厂的运作至关重要，通过对照明控制箱箱体进行地震作用下的有限元计算分析并对各主要受力构件进行安全性评定，结果表明其在抗震安全性方面满足相关标准和规范的要求，也对控制箱箱体的抗震性能设计与改进具有重要借鉴意义。