基于ANSYS核級(jí)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)抗震性能分析①

王宇飛，錢 江

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

上虞金盾風(fēng)機(jī)有限公司委托同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所對(duì)G4－73No11D型風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行計(jì)算分析，目的是驗(yàn)證該設(shè)備在自重、風(fēng)內(nèi)壓、葉輪離心力及地震作用下的變形和受力狀態(tài)，并對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗震安全性進(jìn)行評(píng)估.

1 上虞金盾G4－73No11D型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)描述

G4－73No11D型核級(jí)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要由機(jī)殼、葉輪、葉片、軸承支架、軸承和電機(jī)等組成，總設(shè)計(jì)質(zhì)量約為2200kg.其中，風(fēng)機(jī)質(zhì)量約為930kg，底座質(zhì)量約為 360kg，核級(jí)電機(jī)約為 85kg.G4－73No11D型核級(jí)風(fēng)機(jī)殼體的材料主要是Q235B，葉輪部及傳動(dòng)軸分別采用16Mn(Q345)及40Cr.緊固螺栓為4.8級(jí)(相當(dāng)于 GB 10.9級(jí)).

2 分析模型的建立

本文采用國(guó)際通用的大型有限元結(jié)構(gòu)分析程序ANSYS，對(duì)上虞金盾G4－73No11D型風(fēng)機(jī)進(jìn)行地震工況下的分析.建立計(jì)算模型采用的坐標(biāo)系統(tǒng)(X，Y，Z)如下定義:取風(fēng)機(jī)軸方向?yàn)閄軸方向，高度方向?yàn)閆軸方向，底座短邊方向?yàn)閅軸方向.

G4－73No11D型離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的主要受力部件機(jī)殼組件采用殼體單元SHELL63模擬;傳動(dòng)軸及支架采用梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬;槽鋼底座用殼單元SHELL63模擬;加強(qiáng)筋用殼體單元SHELL63模擬;將電機(jī)簡(jiǎn)化為一筒體，不模擬其剛度影響，僅考慮其質(zhì)量分布.

核級(jí)風(fēng)機(jī)計(jì)算模型示意圖如圖1所示.整個(gè)計(jì)算模型共計(jì)單元數(shù)54782、節(jié)點(diǎn)數(shù)50864，計(jì)算總質(zhì)量約 2185.0kg.

圖1 計(jì)算模型透視圖

圖2 底座及螺栓分布圖

3 抗震分析

模態(tài)分析

計(jì)算了G4－73No11D型核級(jí)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的前80階模態(tài)，頻率值介于 13.883 ～ 198.782Hz，其X，Y，Z三個(gè)方向主導(dǎo)模態(tài)的頻率分別為13.883 Hz(第 1 階)、15.460 Hz(第2 階)、27.347 Hz(第7階)，表1給出系統(tǒng)前6階模態(tài)頻率值及其振動(dòng)特征，模態(tài)示意圖分別如圖1所示.

表2給出結(jié)構(gòu)前80階模態(tài)總參與質(zhì)量及其與結(jié)構(gòu)靜質(zhì)量的百分比值.

表1 G4－73No11D型核級(jí)風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的固有頻率

表2 G4－73No11D型核級(jí)風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)前80階模態(tài)總參與質(zhì)量

4 地震作用與自重、壓力、離心力工況組合

4.1 重量荷載(DW)

G4－73No11D型離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其附屬連接件自重，重力加速度取值g=9.81m/s2.

4.2 壓力(Po)

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)靜壓為1715Pa;

4.3 運(yùn)行荷載(OL)

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)葉輪組受到的離心力(設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為960rpm).

4.4 地震荷載(SL1，SL2)

SL1為廠區(qū)運(yùn)行安全地震動(dòng)，SL2為廠區(qū)極限安全地震動(dòng).地震荷載由廠區(qū)地震輸入設(shè)計(jì)樓層反應(yīng)譜作用到機(jī)組結(jié)構(gòu)上計(jì)算得到.

根據(jù)上虞金盾風(fēng)機(jī)有限公司提供的某核電廠電氣廠房標(biāo)高0.00m樓面反應(yīng)譜進(jìn)行抗震分析計(jì)算.SL1阻尼比取0.02，譜值取樓層反應(yīng)譜列表值×1.0;SL2阻尼比取0.04，譜值取樓層反應(yīng)譜列表值×2.0.樓層反應(yīng)譜典型頻率點(diǎn)的加速度值列于表4.1(見圖3和4).

4.5 荷載組合

考慮的荷載組合如下:

(1)正常工況(A級(jí)使用荷載)荷載組合為:DW+Po+OL;

圖3 水平向輸入地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

圖4 豎向輸入地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

(2)異常工況(B級(jí)使用荷載)荷載組合為:DW+Po+OL±SL1;

(3)緊急工況(C級(jí)使用荷載)荷載組合為:DW+Po+OL±SL2;

(4)事故工況(D級(jí)使用荷載)荷載組合為:DW+Po+OL±SL2;對(duì)比各工況荷載可知:異常工況可包絡(luò)正常工況，緊急工況與事故工況荷載相同，但其材料的應(yīng)力許用限值低，故緊急工況評(píng)定結(jié)論可包絡(luò)事故工況.

4.6 邊界條件

風(fēng)機(jī)底部臺(tái)座與建筑結(jié)構(gòu)連接處為固定端位移邊界條件.

5 風(fēng)機(jī)變形、螺栓及風(fēng)機(jī)軸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

B級(jí)使用荷載作用下，整體結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在機(jī)殼部位，最大應(yīng)力強(qiáng)度則出現(xiàn)在葉輪上;D級(jí)使用荷載作用時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在機(jī)殼部位，最大應(yīng)力強(qiáng)度則出現(xiàn)在底座上.

表3 最不利減震底座地腳螺栓處的地震響應(yīng)應(yīng)力(MPa)

表4 風(fēng)機(jī)軸最不利組合應(yīng)力結(jié)果(MPa)

6 核級(jí)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能評(píng)定

表5 B級(jí)工況風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)各主要部件最不利截面應(yīng)力評(píng)定

表6 D級(jí)工況風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)各主要部件最不利截面應(yīng)力評(píng)定

表7 最不利減震底座地腳螺栓的地震響應(yīng)應(yīng)力評(píng)定

表8 風(fēng)機(jī)軸最不利截面應(yīng)力評(píng)定

7 風(fēng)機(jī)變形評(píng)定

風(fēng)機(jī)葉片與進(jìn)風(fēng)口之間設(shè)計(jì)最小徑向間隙為dmax=6.0mm，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行要求其轉(zhuǎn)動(dòng)部件不得與周邊其它部件發(fā)生碰觸，并滿足表9給定的限值［2］.外荷載作用下，風(fēng)機(jī)葉片與進(jìn)風(fēng)口之間徑向間隙的相對(duì)減小值不會(huì)大于風(fēng)機(jī)葉片單獨(dú)的變形數(shù)值.取葉輪最大組合變形SUM值作為風(fēng)機(jī)葉片與進(jìn)風(fēng)口之間徑向間隙的相對(duì)減小值進(jìn)行變形評(píng)定是保守的，風(fēng)機(jī)葉片間隙變形評(píng)定結(jié)果列于表10.風(fēng)機(jī)的變形滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求.

表9 風(fēng)機(jī)葉片與進(jìn)風(fēng)口之間徑向間隙的變形限值

表10 風(fēng)機(jī)葉片與進(jìn)風(fēng)口之間徑向間隙的變形評(píng)定

8 總結(jié)

根據(jù)本報(bào)告計(jì)算結(jié)果，上虞金盾風(fēng)機(jī)有限公司設(shè)計(jì)的G4－73No11D型核級(jí)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)各主要部件的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在抗震安全性方面滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］和行業(yè)規(guī)范［2］的相關(guān)要求.

［1］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50267－97)［S］.1997.

［2］核設(shè)施通風(fēng)空調(diào)和氣體處理系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范(EJ/T1116 －2000)［S］.2000.

［3］美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，ASME III，核動(dòng)力裝置設(shè)備建造準(zhǔn)則［S］.1995.

［4］核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院，核級(jí)風(fēng)機(jī)技術(shù)規(guī)格書［S］.2005.6.