基于管路刚度和阻抗实测数据的浮筏隔振性能影响分析

路彤 刘佳 王禹 黎昭文 张路科 魏博 李旸

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

泵类设备是反应堆系统中主要的振动噪声来源，传统的单层隔振对泵类设备减振效果有限，已逐渐无法满足更高的振动及声学性能需求。浮筏隔振装置作为一项高效的隔振技术手段，借助双层隔振及中间筏体结构集中质量，可有效降低泵类设备向外界的振动能量传递[1-2]。围绕浮筏隔振系统，学者们针对不同形式的筏体结构[3-5]、主动隔振[6]、安装姿态[7]等因素对浮筏减振性能影响进行了大量研究。

不同于在设备进出口安装有减振软管的常规振源设备浮筏在减振分析时可忽略管路刚度影响，反应堆系统高温高压泵进出口管路采用焊接的刚性连接形式，其管路连接刚度远大于减振软管连接刚度，在进行浮筏减振效果分析时管路连接刚度影响不应被忽略。此外，安装基座边界采用理想的固定约束无法反映结构实际安装状态[8]，同样会影响浮筏减振效果分析结果。

因此，为提高浮筏隔振装置减振性能分析精度，本文引入泵进出口管路刚度约束，结合浮筏安装基座实测阻抗数据，采用有限元法深入研究管路刚度对浮筏隔振装置减振性能影响。

1 研究对象

以反应堆系统高温高压泵浮筏隔振装置及其刚性连接的高能管路为研究对象开展减振分析。其中，浮筏隔振装置结构示意图如图1 所示，主要包括下层减振器、浮筏结构以及上层减振器。浮筏上布置有两台立式屏蔽泵。泵体与浮筏之间安装有8 个减振器（每台泵4 个），浮筏与安装基座之间安装有6 个减振器，减振器主要参数如表1 所示。

表1 减振器主要参数

图1 浮筏隔振结构示意图

2 有限元模型

对浮筏隔振装置模型适度简化，将安装基座等效为弹簧阻尼单元，并以安装基座实测位移阻抗（动刚度）作为弹簧刚度输入，用于模拟安装基座的动力学行为。安装基座位移阻抗（动刚度）数据通过阻抗试验获取，通过在每个下部减振器与安装基座接触面附近分别用力锤敲击并采集振动信号，获取对应测点10～2000Hz 的原点位移阻抗。选取靠近安装基座中部测点的原点位移阻抗曲线（如图2 所示）作为安装基座弹簧单元刚度输入。

图2 原点位移阻抗

进出口管路约束等效为弹簧阻尼单元，为获取泵进出口管路等效刚度参数，建立如图3 所示的管路及其安装支吊架模型，定义沿浮筏宽度方向为X 向，长度方向为Y 向，泵轴线方向为Z 向，分别在管路进出口单元节点施加X、Y、Z 向单位力进行静力学计算获取相应节点各方向上的位移，通过力与位移比值得到的管路进出口等效刚度如表2 所示。

图3 进出口管路有限元模型

表2 管路等效刚度

泵体与浮筏筏架结构均采用三维实体单元，上层减振器、下层减振器等效为弹簧阻尼单元。将上层减振器弹簧单元的上下节点分别与泵体支架和浮筏上表面的节点建立MPC 约束，下层减振器弹簧单元的上下节点分别与浮筏筏架结构下表面节点和安装基座节点建立MPC 约束。简化后的有限元模型及边界条件如图4 所示，对于所有模拟进出口管路刚度的弹簧，约束其远离泵体一端节点的所有自由度，对于模拟安装基座阻抗的弹簧，约束其底部节点所有自由度。

图4 浮筏有限元模型

3 减振效果分析

利用ANSYS 谐响应模块进行减振性能分析，在图2 中左侧泵重心位置附近节点施加Z 向载荷力。分析频率范围为10～2000Hz，间隔为6.25Hz。

引入位移阻抗的谐响应分析流程图如图5 所示，在每个谐响应分析步进行计算时，通过循环读取命令流赋予弹簧单元随频率变化的位移阻抗数值。在完成所有频率点计算后，提取泵机脚、上层减振器底部节点和下层减振器底部节点Z向加速度，并计算频段内总振级及相应的振级落差作为减振效果评价指标。

图5 引入位移阻抗的谐响应分析流程图

计算得到施加管路刚度前后浮筏隔振装置减振效果，在10～2000Hz 频率范围内忽略管路刚度减振效果为47.40dB，施加管路刚度减振效果为47.92dB，减振性能差别较小。其中施加管路刚度后与已有试验数据对比，在10～315Hz 范围内分析所得减振效果约为29.55dB，试验测得的同频段减振效果约为26.90dB，两者结果吻合程度较好。图6 给出了分频段的减振效果对比，从图中可以看出，泵机脚节点、上层减振器节点、下层减振器节点平均振级在315～2000Hz 几乎重合，主要差异体现在10～315Hz 范围内，施加管路刚度后减振效果相比于无管路刚度提高了约1.35dB。

图6 施加管路刚度前后减振效果对比

为进一步探究管路等效刚度波动对浮筏减振性能影响，考虑管路入口Z 向刚度变化，两个入口刚度变化幅度保持一致，取以下五种工况分别进行分析计算：（1）入口-100%（无刚度）；（2）入口-20%；（3）入口+0%；（4）入口+20%；（5）入口+100%。

从图7 结果显示，2 倍管路入口刚度相比于无刚度情况下在低频段（10Hz～315Hz）减振效果约提升了2.81dB，在中高频段（315Hz～2000Hz）管路减振性能几乎无变化。受低频段减振效果影响，总频段（10Hz～2000Hz）减振效果随管路刚度增加略有提升。

图7 不同管路入口刚度下的各频段减振效果

4 结论

以泵类设备浮筏隔振装置为研究对象，结合安装基座阻抗实测数据建立分析模型，开展浮筏减振效果分析，探究了管路刚度波动对减振效果的影响，分析结果表明：

4.1 在10Hz～2000Hz 频率范围内，考虑管路连接刚度浮筏减振效果为47.92dB，略高于忽略管路连接刚度时的浮筏减振效果。

4.2 管路刚度波动对浮筏隔振装置低频段减振效果影响较大，管路刚度越大，低频减振效果越好，而中高频段减振效果几乎不受管路刚度波动影响。主要原因在于低频减振效果属于刚度控制区，管路刚度增大后沿管路传递的振动能量随之增加，致使低频减振效果升高，因此在刚性连接管路系统泵类设备浮筏减振设计时，应着重考虑管路刚度对低频减振效果影响。