劉恒達(dá)

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，核電因其更清潔成本更低的能源特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。正常情況下，核電產(chǎn)生的污染物遠(yuǎn)少于火電，運(yùn)行成本也低于光伏等其他新型能源[1]。核電廠中，核電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是整個(gè)核電廠正常運(yùn)作的關(guān)鍵，而照明控制系統(tǒng)作為其中重要的一環(huán)，其主要功能是為反應(yīng)堆廠房、核輔助廠房等提供廠房工作照明，以及220V 交流單相插座電源[2]。為了確保照明控制系統(tǒng)在發(fā)生安全停堆地震(SSE) 時(shí)能夠保證結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性，對其進(jìn)行抗震計(jì)算分析與安全性評(píng)定十分必要[3]。

就某核電廠照明控制系統(tǒng)中的主控室與遠(yuǎn)距離停堆室照明調(diào)光盤箱體進(jìn)行抗震計(jì)算分析，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，判斷其是否滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

1 模 型

1.1 箱體結(jié)構(gòu)概況

箱體外輪廓尺寸為500mm×500mm×150mm，外部由蓋子、箱體、耳柄、鉸鏈與固定螺栓組成，內(nèi)部包括定位螺栓、元器件板與附著其上的各類元器件，箱體總質(zhì)量約為26.5kg。模型建立過程中，對于箱體、蓋子、耳柄和內(nèi)部元器件安裝板等均采用板殼單元(S4R單元)模擬，不模擬箱體內(nèi)設(shè)備剛度，視其質(zhì)量均勻附加在元器件板上。各類螺栓采用實(shí)體單元(C3D8R單元)模擬，箱體模型見圖1。

圖1 照明控制箱模型

1.2 材料特性

箱體所用材料均為304不銹鋼，所有板材厚度為2.0mm，固定螺栓為6.8級(jí)304不銹鋼螺栓。在《ASME-AG-1-2015》中，非承壓與非緊固件許用應(yīng)力取值為Sm=min(2Sy/3,Su/4)；緊固件許用應(yīng)力取值為Sm=min(Re/4,Rm/5)；各材料常溫下的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

1.3 荷載與邊界條件

重力荷載考慮箱體結(jié)構(gòu)自重及箱體內(nèi)各構(gòu)件重量，重力加速度取值g=9.80m/s2。地震作用考慮運(yùn)行基準(zhǔn)地震為SL-1，安全停堆地震為SL-2，其中SL-1取1/2SSE，SL-2取SSE。荷載組合考慮三種工況：(1)正常工況(A級(jí)使用荷載)荷載組合：DW；(2)異常工況(B級(jí)使用荷載)荷載組合：DW+SL-1；(3)事故工況(D級(jí)使用荷載)荷載組合：DW+SL-2。模擬現(xiàn)場安裝條件，箱體為掛墻安裝，為四周固定螺栓位移邊界條件。

表1 箱體結(jié)構(gòu)材料常溫下力學(xué)性能參數(shù)

圖1 箱體結(jié)構(gòu)第1階振型

圖2 箱體結(jié)構(gòu)第2階振型

圖3 箱體結(jié)構(gòu)第4階振型

圖4 箱體結(jié)構(gòu)第5階振型

2 分析與判定方法

2.1 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜分析法是一種彈性分析方法，為得到多自由度體系的地震響應(yīng)，該方法基于單自由度體系的加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與振型分解計(jì)算的原理，先求解各階振型對應(yīng)的等效地震響應(yīng)，然后按照一定的組合原則對各階振型的地震響應(yīng)進(jìn)行疊加組合，最終得到目標(biāo)結(jié)果。

2.2 判定準(zhǔn)則

該調(diào)光盤箱體結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件均屬于板殼型構(gòu)件，即構(gòu)件厚度遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的幾何長度，此類構(gòu)件按照《ASME-AG-1-2015》中TABLE AA-4321 的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)定；固定螺栓則按照ASME 第Ⅲ卷第一冊NF分卷NF3324中的要求評(píng)定，具體準(zhǔn)則見表2-4，其中，σm為薄膜應(yīng)力，σm+σb為彎曲應(yīng)力。

表2 板殼型支撐構(gòu)件應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

表3 固定螺栓應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

表4 定位螺栓應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

3 計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

3.1 動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果

先通過ABAQUS對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，在保證相當(dāng)?shù)睦塾?jì)參與質(zhì)量的前提下，計(jì)算結(jié)構(gòu)的前60階模態(tài)，其頻率均位于37.715HZ-508.95HZ之間，XY三個(gè)方向的累計(jì)參與質(zhì)量比為99.56%99.36%99.28%，模型第1、2、4、5階振型見圖1-4。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

輸入反應(yīng)譜，并將ABAQUS中XY三個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果采用“SRSS” 的方法進(jìn)行振型組合，得到該箱體各主要受力構(gòu)件包括連接固定螺栓在各工況下的最不利應(yīng)力，其中B、D級(jí)工況下各構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與評(píng)定結(jié)果見表5-6。

表5 各主要受力構(gòu)件最不利位置應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

表6 螺栓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

4 結(jié) 論

核電廠照明控制系統(tǒng)在地震發(fā)生時(shí)保證一定的完整性同時(shí)能正常運(yùn)行對整個(gè)核電廠的運(yùn)作至關(guān)重要，通過對照明控制箱箱體進(jìn)行地震作用下的有限元計(jì)算分析并對各主要受力構(gòu)件進(jìn)行安全性評(píng)定，結(jié)果表明其在抗震安全性方面滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，也對控制箱箱體的抗震性能設(shè)計(jì)與改進(jìn)具有重要借鑒意義。