何文威++何嶸++張甬++黃文軍

摘 要：使用ANSYS Workbench對安裝于中國遼寧紅沿河地區(qū)的某型低壓開關(guān)柜進(jìn)行抗震仿真分析，根據(jù)核電行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，采用振型分解反應(yīng)譜法，計算出柜體結(jié)構(gòu)在8度地震作用下的位移、速度、加速度響應(yīng)及整體的等效應(yīng)力分布情況，評估當(dāng)前柜體結(jié)構(gòu)的抗震效果，并找出當(dāng)前設(shè)計結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的薄弱點，為后續(xù)的柜體結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論數(shù)據(jù)以及改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：ANSYS Workbench；振型分解反應(yīng)譜法；抗震分析

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

安全是核電的生命線，核電機(jī)組的安全運(yùn)行離不開安全可靠的電氣設(shè)備。地震是最常見、危害最大的自然災(zāi)害，它可能導(dǎo)致核電廠各物項同時失效，因此核電廠中所有抗震I類設(shè)備需要具備足夠的抗震能力以滿足其在地震期間或之后能執(zhí)行其安全功能。文中使用仿真軟件ANSYS Workbench模擬設(shè)備的地震響應(yīng)動力學(xué)特性，評估設(shè)備在地震力作用下的安全性。

1.柜體結(jié)構(gòu)抗震分析

文中分析對象為安裝于紅沿河地區(qū)室內(nèi)的開關(guān)柜。使用GB13625標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的動態(tài)分析法，計算沿用GB50260標(biāo)準(zhǔn)中的反應(yīng)譜分析法。根據(jù)HAF J0053與GB13625規(guī)定的要求設(shè)定邊界條件。開關(guān)柜結(jié)構(gòu)可理解為復(fù)雜鋼建筑結(jié)構(gòu)，假設(shè)結(jié)構(gòu)為線彈性多自由度體系，所以采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計算。

（1）前處理

框架斷路器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此分析時采用等重、等體積立方體質(zhì)量塊替代。開關(guān)柜骨架計算時將其視為板殼結(jié)構(gòu)，采用抽取中間面的方式建立CAE模型，如圖1所示。

模型中開關(guān)柜骨架材料為熱鍍鋅板，母線材料為銅合金，其材料參數(shù)由表1給出。為保證計算精度網(wǎng)格均劃分為四邊形單元，網(wǎng)格大小均設(shè)定為5mm（排除載荷），局部應(yīng)力梯度較大的區(qū)域采用高階單元進(jìn)行劃分。

（2）靜力分析

由于重力的作用，開關(guān)柜在承載重力載荷時結(jié)構(gòu)本身的剛度將發(fā)生改變，這會改變開關(guān)柜本身的固有頻率，所以開關(guān)柜地震譜分析的最終結(jié)果需要與結(jié)構(gòu)本身的靜力載荷進(jìn)行疊加。因此在進(jìn)行反應(yīng)譜分析前需要進(jìn)行靜力分析。約束底部與地面的連接處（14個面），添加方向為-Z（豎直方向）軸的重力加速度。

（3）模態(tài)分析

模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，作為反應(yīng)譜分析的基礎(chǔ)，可從模態(tài)分析的結(jié)果能得到結(jié)構(gòu)本身的固有頻率、振型及各方向的質(zhì)量參與系數(shù)等。確定模型的約束后，對開關(guān)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，求解前50階固有頻率。

從模態(tài)分析的結(jié)果中可以得出以下結(jié)論：

（a）X軸向與Y軸向（水平方向）總的質(zhì)量參與系分別為92.15%與89.63%，滿足GB50260標(biāo)準(zhǔn)中采用振型分解反應(yīng)譜法的規(guī)定。Z軸向（豎直方向）在前50階模態(tài)分析中未出現(xiàn)明顯的共振頻率，因此到后續(xù)的反應(yīng)譜合成中將忽略Z軸向（豎直方向）產(chǎn)生的影響。

（b）結(jié)構(gòu)的第一平動周期為13Hz、第一扭轉(zhuǎn)周期為34Hz，相鄰振型周期比為0.383，小于GB50260中規(guī)定的0.9，因此后續(xù)譜分析選用SRSS合成法。

（4）響應(yīng)普分析

譜分析就是將模態(tài)分析結(jié)果（各階振型）與已知譜（位移譜；速度譜；加速度譜）合成，求解出結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)值的分析方法。圖2為設(shè)備所在建筑的設(shè)計樓層反應(yīng)譜，安全停堆地震（SSE）幅值為運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）的兩倍，譜曲線選取臨界阻尼5%對應(yīng)的曲線，計算時選擇條件更為苛刻的SSE地震作為激勵值。由模態(tài)分析的結(jié)論已明確將忽略Z軸向（豎直方向）產(chǎn)生的影響，因此激勵方向僅考慮X軸向與Y軸向（水平方向）。

（5）載荷合成及結(jié)果

開關(guān)柜在地震的作用下需要承受地面加速度造成的動力響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)在靜力載荷作用下受到的力。因此需要組合譜分析與靜力分析的結(jié)果，如圖3所示。

（a）譜分析結(jié)果為最大加速度響應(yīng)為36.1m/s2，最大速度響應(yīng)為0.248m/s。

（b）譜分析與靜力分析合成后，承重梁最大等效應(yīng)力為207MPa，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為242MPa，位于左后側(cè)板支腳，開關(guān)柜的最大位移出現(xiàn)在柜頂區(qū)域，位移大小為2.9mm。

2.結(jié)論

（a）在設(shè)計時應(yīng)充分考慮梁的數(shù)量以及布局，避免承重梁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。開關(guān)柜在受到SSE地震時，所有承重梁中受到的最大等效應(yīng)力為207MPa，而熱鍍鋅板屈服強(qiáng)度321MPa，所以安全因數(shù)n=σs/σr4=321/207=1.55，安全裕度為55%。

（b）提高開關(guān)柜自身的剛度，能有效地減小地震載荷作用下的慣性力。整體結(jié)構(gòu)受到的最大等效應(yīng)力為242MPa，此處安全因數(shù)n=σs/σr4=321/207=1.33，安全裕度為33%。

開關(guān)柜主體結(jié)構(gòu)受到SSE地震時，結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件均處于彈性變形范圍內(nèi)，主體結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)垮塌、變形過大或永久變形等問題，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠穩(wěn)定，能滿足設(shè)備在特定場所的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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