非安全级DCS系统电源机柜抗震分析

路梓照，崔英伟，闫旭东，陈国庆

（1.北京强度环境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300301）

引言

核电DCS系统是核电站的信息神经中枢，在核电站安全稳定运行方面作用重大，而电源机柜作为电力系统设备的主要载体，其安全性和可靠性更加重要。电源机柜的固有频率通常较低，地震载荷对其安全性影响较大。在地震载荷作用下，机柜可能出现结构变形甚至机柜破坏失效的现象。因此对核电站运行设备依据相关规范进行抗震模拟分析是十分必要的。本文依照核安全法规，对电源机柜进行抗震分析，进行结构完整性验证[1]。

1 结构及材料特性

非安全级DCS系统电源机柜外形尺寸为2200 mm（高）800 mm（宽）800 mm（深），总重量387 kg，机柜内部主要电子设备包括机柜报警模块、IN65N空开、浪涌保护器、直流电源等，重量约17.85 kg。电源机柜主要由薄钢板通过滚扎或折弯成型，为薄壁结构，材料选用Q235普通碳素结构钢，材料的基本性能与许用应力见表1。

表1 材料的特性

2 有限元模型

机柜主体结构采用壳单元（SHELL 181）模拟，螺栓采用梁单元（BEAM188模拟）。柜内电子设备不考虑形变，仅考虑其质量对柜体结构的影响，柜内电子设备模拟质量及外形加载到机柜相应导轨上。机柜模型图如图1，机柜模型网格划分图如图2。机柜与底部支撑之间采用螺栓连接，机柜有限元模型的边界条件为机柜底座6只地脚螺栓位移固定约束。

图1 机柜模型图

图2 机柜模型网格划分图

3 载荷条件及分析方法

3.1 载荷条件

正常工作条件下，机柜及其内部设备所受载荷只有自重，自重计算时取重力加速度g=9.8 m/s2。电源机柜放置在标高15.5 m的厂房内，地震载荷选用15.5 m厂房5 %阻尼的楼层反应谱，计算时取10 %的裕度。楼层反应谱曲线如图3所示。

图3 楼层反应谱曲线

3.2 反应谱分析方法

地震反应分析方法主要包括静力法、反应谱法和时程分析法。静力法不考虑结构的动力特性，时程分析法虽然较为准确，但计算量大，反应谱法操作相对较为简单。反应谱分析用于确定地震载荷作用下结构可能的响应。反应谱分析的本质是将动态问题转换为静态问题。反应谱分析是通过振型叠加法完成的，将多自由度体系视为多个单自由度体系的组合，将单自由度质量-弹簧-阻尼系统置于地震载荷中，计算每一个单自由度体系的最大响应，然后将单自由度体系最大响应通过组合的方式得到结构地震载荷下的最大响应[2]。

反应谱分析方法可利用ANSYS谱分析中响应谱分析法辅助计算，模态合并算法使用算法平方和开方SRSS的组合算法。

第i阶模态的最大响应为：

式中：

Di—第i阶模态的最大响应；

Ai—第i阶模态的模态系数；

φi—第i阶模态的振型向量。

SRSS的组合算法的一般形式为：

式中：

Da—合并后的模态总体响应；

N—参与合并的模态数目。

4 计算结果及评定

4.1 模态分析结果

反应谱分析采用模态叠加法求解，模态数量必须使累计的质量参与系数大于等于90 %。通过计算机柜结构的前100阶模态，固有频率介于15～90 Hz，前5阶模态计算结果见表2，模型1阶振型参与质量较大，主要振动特性为绕Y轴扭转，模态分析1阶振型图如图4所示。

图4 模态分析1阶振型图

表2 模态前5阶计算结果

4.2 自重载荷分析结果

正常工作条件下，机柜及其内设备所受载荷只有自重。通过有限元软件对模型进行静力分析，提取正常工作条件下结构的膜应力和弯曲应力以及节点位移，生成机柜在自重载荷下的应力云图和位移云图。正常工作条件下应力云图见图5所示，最大膜应力8.34 MPa，弯曲应力+膜应力最大值为20.01 MPa，发生在机柜顶板位置。位移云图见图5（c）所示，最大变形值0.34 mm，发生在机柜顶部。

图5 自重载荷分析结果

4.3 反应谱分析结果

根据模态计算结果，对三个方向反应谱的输入进行响应计算，获得在反应谱下的响应云图，详见图6所示。膜应力最大为93.54 MPa，膜应力+弯曲应力最大为135.68 MPa，出现在电子元件的安装板与机柜框架连接位置，机柜最大变形为3.75 mm，发生在机柜门板位置。

图6 反应谱分析结果

4.4 螺栓应力分析

考虑机柜自重和地震载荷工况对机柜进行分析计算，获得机柜底部6个地脚螺栓的支反力情况。包络6个螺栓的最大拉力为6800.2 N，两个水平方向最大剪切力为7409.9 N和3010 N，则单个螺栓所承受的最大拉力FN和剪切应力FT分别为6739.9 N和7997.92 N。

根据机械手册M20螺栓的应力截面积A=245 mm2，单个螺栓的最大拉应力和最大剪切应力为：27.76 MPa和32.64 MPa。

4.5 应力分析结果及评判

根据RCC-M三类设备标准进行评价，设备的评价标准见表3，螺栓的评价标准见表4。

表3 RCC-M规则抗震设备的工况和载荷以及评价标准

正常条件和事故条件下机柜的薄膜应力以及薄膜加弯曲应力评价结果见表5，应力评价通过。

表5 反应谱法抗震分析应力计算结果及评价（MPa）

按RCC-M Z VI 2460螺栓紧固件连接的要求，螺栓紧固件的拉伸应力与剪切应力应满足表4的方程，地脚螺栓的应力评价见表6，从表6的结果可以看出螺栓应力满足规范要求。

表4 RCC-M螺栓连接件的应力限值

表6 螺栓应力评定

5 结论

通过对非安全级DCS系统电源机柜进行有限元分析计算，可以得出在自重和地震载荷作用下，电源机柜的结构设计满足RCC-M规范的相关要求，能够满足结构的完整性。