基于ANSYS Workbench的卷揚(yáng)機(jī)抗震分析

劉 亮，王占軍

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

基于ANSYS Workbench的卷揚(yáng)機(jī)抗震分析

劉 亮，王占軍

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

為了驗(yàn)證秦山核電廠擴(kuò)建項(xiàng)目+20m翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)在安全停堆地震(SSE)作用下能否保證結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性，采用有限元軟件ANSYS Workbench對翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)(包括起升機(jī)構(gòu)、底架、卷筒等)進(jìn)行了建模，并通過等效靜力法對其進(jìn)行抗震分析，得到結(jié)構(gòu)對地震載荷的響應(yīng)?？拐鸱治鏊媒Y(jié)論表明，翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)在安全停堆地震期間和之后，能保證結(jié)構(gòu)的完整性，包括承壓邊界完整性以及卷揚(yáng)機(jī)的可運(yùn)行性，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

卷揚(yáng)機(jī)；有限元模型；模態(tài)分析；響應(yīng)譜；抗震分析

我國是一個(gè)地震頻發(fā)的國家，因此分析預(yù)測不同地震載荷情況下工程結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)和破壞程度是十分必要的。翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)作為核電站中一種傳統(tǒng)的起落重物的承壓設(shè)備，在事故工況下會受到各種各樣的載荷作用，這些載荷包括重力載荷、工作載荷以及地震載荷，它的失效形式是比較復(fù)雜的。卷揚(yáng)機(jī)在載荷作用下，主軸、軸承等處的振動擺度可能會超過允許值，造成轉(zhuǎn)動部件和支撐系統(tǒng)較大的動應(yīng)力。嚴(yán)重時(shí)，會發(fā)生碰撞和摩擦，造成磨損和破壞，從而給卷揚(yáng)機(jī)吊門系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來很大的危害。因此按照核安全法規(guī)的有關(guān)要求，需要驗(yàn)證卷揚(yáng)機(jī)的安全性，并對卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行抗震計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性及可運(yùn)行性分析。

抗震分析方法發(fā)展至今，主要分為等效靜力法和反應(yīng)譜法。如果設(shè)備的第一階固有頻率大于地震截止頻率，即設(shè)備是剛性時(shí)，一般采用等效靜力法，也就是將作用在設(shè)備上的地震力以慣性力方式加載在設(shè)備的質(zhì)心。如果設(shè)備的第一階固有頻率小于地震截止頻率，采用反應(yīng)譜法，這是一種近似的動力分析方法，設(shè)備和部件的譜分析可采用所在地的地震反應(yīng)譜作為激勵載荷輸入。

1 卷揚(yáng)機(jī)有限元模型

本項(xiàng)目中，卷揚(yáng)機(jī)的功能是在反應(yīng)堆廠房設(shè)備閘門貫穿筒節(jié)內(nèi)起吊設(shè)在一高20m平臺上的翻轉(zhuǎn)平臺。翻轉(zhuǎn)平臺沿一邊懸掛，當(dāng)設(shè)備閘門打開后，卷揚(yáng)機(jī)將翻轉(zhuǎn)平臺放置在水平位置作為通道；當(dāng)設(shè)備閘門要關(guān)閉時(shí)，卷揚(yáng)機(jī)將翻轉(zhuǎn)平臺吊起，最終接近垂直狀態(tài)。

卷揚(yáng)機(jī)由電機(jī)、減速器、卷筒、制動器、帶纏繞電纜設(shè)備的移動式按鈕盒、鋼絲繩、滑輪組、卸扣和曲柄搖把構(gòu)成。由于卷揚(yáng)機(jī)安裝空間有限，卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)必須緊湊，卷揚(yáng)機(jī)的外型尺寸控制在960mm(長)×760mm(寬)×640mm(高)以內(nèi)。主要技術(shù)參數(shù)見表1，各部件質(zhì)量見表2。

翻轉(zhuǎn)平臺的材料為Q235-B，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.274，拉伸強(qiáng)度為390MPa，屈服強(qiáng)度為235MPa。翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)抗震分析采用Pro/Engineer建模，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中劃分網(wǎng)格，建立有限元模型。卷揚(yáng)機(jī)有限元模型共有單元89 907個(gè)，節(jié)點(diǎn)160 723個(gè)，如圖1所示[1-2]。

2 模態(tài)分析

為了解翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性，首先需對其進(jìn)行模態(tài)分析。通過模態(tài)分析可以確定機(jī)械部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們不僅是結(jié)構(gòu)承受動態(tài)載荷設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，還是進(jìn)行抗震響應(yīng)譜分析的起點(diǎn)。本文采用 ANSYS Workbench 軟件對圖1所示的卷揚(yáng)機(jī)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析。對底架添加固定約束，并且不施加載荷，計(jì)算得到前5階固有頻率列于表3中，相關(guān)振型如圖2～圖6所示。

從圖中可以看出，卷揚(yáng)機(jī)在底座處變形很小，而筒體及電機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度相對較小，有較大的位移。結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率為34.677Hz，大于地震的截止頻率，對卷揚(yáng)機(jī)支架系統(tǒng)進(jìn)行抗震分析時(shí)可以采用等效靜力法，即從樓層反應(yīng)譜中取零周期對應(yīng)的加速度值作為地震輸入[3]。

3 抗震分析

在ANSYS Workbench中新建靜力學(xué)分析。

翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)的載荷分析主要考慮工作負(fù)載、地震載荷、自重等載荷。

1)工作負(fù)載。負(fù)載為25kN。

2)重力荷載。重力方向豎直向下，加速度大小為1g。

3)地震載荷。翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)安裝在標(biāo)高+20m處，根據(jù)秦山核電廠擴(kuò)建項(xiàng)目方家山核電工程抗震分析規(guī)格書中的相關(guān)規(guī)定，得到標(biāo)高+20.0m處的SSE樓層反應(yīng)譜，取樣值見表4～表6。從樓層反應(yīng)譜中取零周期對應(yīng)的加速度值作為地震輸入。進(jìn)行抗震分析時(shí)，將3個(gè)方向零周期加速度以慣性力方式加載在質(zhì)心[4]。

從表4～表6可知，水平X方向零周期加速度為5.16m/s2，水平Y(jié)方向零周期加速度為9.97m/s2，豎直Z方向零周期加速度為2.290m/s2。將各方向加速度與卷揚(yáng)機(jī)質(zhì)量的乘積作為慣性力加載在質(zhì)心。

分別對卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和支架系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析。

支架系統(tǒng)整體變形和應(yīng)力分布如圖7～8所示?？梢钥闯觯Ъ芟到y(tǒng)整體變形很小。

支架系統(tǒng)的最大主應(yīng)力的值為43.842MPa，位于支架系統(tǒng)底座處，分布的區(qū)域極小。支架系統(tǒng)的平均應(yīng)力水平約為32.372MPa。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體變形和應(yīng)力分布如圖9～10所示?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體變形很小。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的最大主應(yīng)力的值為59.501MPa，位于主軸端部，分布的區(qū)域極小。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平均應(yīng)力水平約為48.845MPa。

Q235-B的屈服強(qiáng)度為235MPa，在20℃時(shí)的許用應(yīng)力為113MPa。故支架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各部分最大主應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

對主軸應(yīng)力進(jìn)行評定。

卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)行速度為3m/min，卷筒直徑為310mm，故主軸轉(zhuǎn)速為

電機(jī)功率為2.2kW，則軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為

主軸直徑為70mm，可由極慣性矩公式算得軸截面極慣性矩

故由轉(zhuǎn)矩引起的最大剪應(yīng)力

為保守計(jì)算，將主軸在轉(zhuǎn)矩載荷作用下的最大剪應(yīng)力與地震工況作用下的最大應(yīng)力直接進(jìn)行絕對值相加，得到主軸上的最大應(yīng)力值(4.69+104.04=108.73MPa)，小于主軸材料的許用應(yīng)力113MPa[5-6]。

此外，翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相對支架系統(tǒng)的變形需滿足功能要求評定。由圖10可知，卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在地震載荷和工作載荷作用下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的最大相對變形為0.057 7mm，遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與支架系統(tǒng)間的最小間隙1.7mm，即卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在事故工況下能夠保證可運(yùn)行性。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYSWorkbench對翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析和抗震分析。通過抗震分析可知：翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)的各零部件在地震載荷的作用下能滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求；卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的擺動幅度小于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和支架系統(tǒng)之間的間隙，部件之間不會產(chǎn)生干擾及磨損，卷揚(yáng)機(jī)能持續(xù)有效地運(yùn)行?？拐鸱治鏊媒Y(jié)論說明，在安全停堆地震的作用下，翻轉(zhuǎn)平臺卷揚(yáng)機(jī)能保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，且各零部件能持續(xù)有效運(yùn)行，卷揚(yáng)機(jī)滿足抗震要求。

[1] 陳艷霞，陳磊．ANSYSWorkbench工程應(yīng)用案例精通[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 高耀東，宿福存，李震，等．ANSYSWorkbench機(jī)械工程應(yīng)用精華30例[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3] 周盼，丁旭權(quán)．基于譜分析方法的日用燃油罐抗震分析[J]．中國水運(yùn)，2014，14(1)：370-372.

[4] 鄧晶晶．柴油發(fā)電機(jī)組抗震分析[J]．振動與沖擊，2009，28(12)：193-197.

[5] 匡中華．輔助給水電動泵抗震分析和抗震試驗(yàn)[D]．沈陽：東北大學(xué)，2009.

[6]TheAmericanSocietyofMechanicalEngineer．ASMEboiler&pressurevesselcodeⅢ[S].

Seismic analysis of hoist based on ANSYS Workbench

LIU Liang, WANG Zhanjun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Jiangsu Changzhou, 213000, China)

The turning platform hoist is a traditional pressure equipment to lift weights in nuclear power station and it is always in dangerous condition. In order to verify the integrity and operation of the structure for the +20m turning platform hoist of expansion project of Qinshan nuclear power plant under the safe shutdown earthquake (SSE), this paper uses the finite element software ANSYS Workbench to create the model of the turning platform hoist (including hoisting mechanism, frame and drum), takes the equivalent static method to do the seismic analysis, analyzes the response of the structure under earthquake loads. The results of seismic analysis show that the hoist can guarantee structural integrity, during and after safe shutdown earthquake(SSE), the structure can satisfy the requirement of strength at boundary integrity and hoist the performability.

hoist; finite element model; modal analysis; response spectrum; seismic analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.05.004

2015-04-02

劉亮(1990—)，男，湖南株洲人，河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)有限元分析。

TB123

A

2095-509X(2015)05-0016-04