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基于聲—固耦合算法考慮液體晃動(dòng)的日用油箱的抗震分析

2022-06-23 02:37:11羅歡韓娟陳雪瑤施少波
關(guān)鍵詞:液位支座抗震

羅歡 韓娟 陳雪瑤 施少波

摘要:為了分析核電廠日用油箱在承受地震載荷時(shí)液體晃動(dòng)對(duì)支座、支座螺栓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響,本文基于聲-固耦合算法,建立了日用油箱在空罐、30%液位、50液位、80%液位、100液位的有限元模型,采用ANSYS軟件對(duì)各模型進(jìn)行模態(tài)分析,輸入SSE工況地震反應(yīng)譜,采用譜分析法進(jìn)行抗震計(jì)算。分析結(jié)果表明:模態(tài)分析各模型的一階頻率分別為28.36Hz、27.99Hz、26.06Hz、22.03Hz、18.32Hz,流體的附加質(zhì)量效應(yīng)大幅度降低了結(jié)構(gòu)的固有頻率值,下降幅度高達(dá)35.3%;譜分析SSE工況50%液位模型支座的應(yīng)力最大,承受地震載荷時(shí)液位高度對(duì)支座應(yīng)力的影響并不是線性的,其與結(jié)構(gòu)的一階頻率、地震譜最大加速度對(duì)應(yīng)頻率區(qū)段有關(guān)。最后按RCC-M評(píng)定準(zhǔn)則對(duì)支座及支座螺栓進(jìn)行了評(píng)定,其應(yīng)力滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

關(guān)鍵詞:聲-固耦合液體晃動(dòng)模態(tài)分析譜分析

Seismic Analysis of Daily Fuel Tank Considering Liquid Sloshing Based on Acoustic-Structure Coupling Algorithm

LUO Huan, HAN Juan, CHEN Xueyao, SHI Shaobo

(China Nuclear Power Operation Technology Corporation, Ltd., Wuhan, Hubei Province, 430223 China)

Abstract: To analyze liquid sloshing on the support, support bolt of nuclear power plant fuel daily tank under the seismic load, this paper based on acoustic-structure coupling algorithm, establishes finite element model in the empty cans, liquid level of 30%, 50%, 80%, 100%.ANSYS software was used for modal analysis, and seismic analysis of SSE condition was carried out by spectral analysis method. The analysis results show that the first-order frequencies of five models are 28.36Hz, 27.99Hz, 26.06Hz, 22.03Hz, and 18.32Hz. The additional mass effect of fluid reduces the natural frequency of the structure by 35.3%. The largest stress of the support is in 50% liquid level model, and the influence of liquid level on support is not linear under seismic load, which is related to the first-order frequency and segment corresponding to the maximum acceleration of the seismic spectrum. Finally, the support and bolts are evaluated according to RCC-M evaluation criteria, and the stress meets the standard limit requirements.

Key words: Acoustic-structure coupling; Liquid sloshing; Modal analysis; Spectrum analysis

儲(chǔ)液容器中的液位高度隨著系統(tǒng)運(yùn)行一般不會(huì)維持固定值,而會(huì)在一定范圍內(nèi)變化,進(jìn)行抗震分析時(shí),由于地震載荷作用,除了容器自身的慣性力,液體的晃動(dòng)對(duì)容器會(huì)產(chǎn)生壓力載荷并引起附加質(zhì)量效應(yīng),其對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性影響較大,進(jìn)而影響容器的地震動(dòng)力響應(yīng)[1-3]。

此類(lèi)問(wèn)題屬于流-固耦合動(dòng)力分析問(wèn)題,目前結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析比較成熟,但如何考慮結(jié)構(gòu)中流體作用目前還沒(méi)有成熟的方法,有研究[4]將結(jié)構(gòu)中流體等效為一個(gè)質(zhì)量單元,并未考慮液體晃動(dòng)效應(yīng)影響。

近年來(lái),聲-固耦合算法并應(yīng)用于儲(chǔ)液容器動(dòng)力分析。陳煒彬[5]基于聲-固耦合理論建立了充液管道模型,將管道內(nèi)流體簡(jiǎn)化為聲學(xué)介質(zhì),計(jì)算了模型的濕模態(tài)并與姚煜中[6]試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了聲-固耦合模擬結(jié)構(gòu)濕模態(tài)的準(zhǔn)確性。楊鳴[7]基于聲-固耦合算法對(duì)儲(chǔ)液容器的濕模態(tài)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,液體的慣性效應(yīng)使得容器固有頻率明顯下降。

聲-固耦合算法是將結(jié)構(gòu)中流體簡(jiǎn)化為聲學(xué)單元即一種彈性介質(zhì),不考慮流體的粘性作用,將結(jié)構(gòu)和流體單元交界面節(jié)點(diǎn)耦合,當(dāng)承受地震載荷時(shí)容器壁在流固交界面上對(duì)流體產(chǎn)生負(fù)載,同時(shí)聲壓也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)附加力,以此來(lái)模擬流體對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。

為分析核電廠日用油箱在不同液位高度下,承受地震載荷時(shí)液體晃動(dòng)對(duì)支座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,本文采用ANSYS軟件,基于聲-固耦合理論,將油箱中流體簡(jiǎn)化為聲單元,對(duì)不同液位模型施加地震載荷進(jìn)行了模態(tài)及譜分析。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

日用油箱為RCC-M[8]核三級(jí)設(shè)備,臥式容器,由2個(gè)鞍座支撐,通過(guò)地腳螺栓緊固,幾何模型如圖1所示,主要結(jié)構(gòu)包括筒體、封頭、接管、支座、支座螺栓等部件,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,液位高度在空罐至溢流口位置變化。BEE19C3B-A6A0-4F19-BD83-66E6CB31160A

2 、模型及邊界條件

為分析日用油箱在承受地震載荷下最大響應(yīng)時(shí)的液位高度,分別建立空罐、30%、50%、80%、100%液位(溢流口處)抗震計(jì)算有限元模型,如圖2所示。建模時(shí)對(duì)設(shè)備部分部件進(jìn)行簡(jiǎn)化,忽略接管法蘭、安裝板,且設(shè)備內(nèi)筒體扣除腐蝕裕量,同時(shí)筒體腐蝕裕量和外筒體的重量以附加密度的形式附加到筒體、封頭上。支座采用SOLID185單元建模,支座螺栓采用BEAM188單元建模,螺栓與支座采用MPC184單元進(jìn)行連接。設(shè)備中的液體采用FLUID30流體單元進(jìn)行建模,材料賦予聲速及燃油的密度,流體單元與固體單元的交界面節(jié)點(diǎn)耦合。設(shè)備通過(guò)螺栓與安裝板連接,而安裝板與預(yù)埋板進(jìn)行焊接,故模型約束螺栓端點(diǎn)處所有自由度。

3 地震載荷

抗震計(jì)算輸入反應(yīng)譜取設(shè)備安裝樓層的反應(yīng)譜,取阻尼比0.03,對(duì)譜值進(jìn)行包絡(luò)處理,X、Y、Z3個(gè)方向安全停堆地震(SSE)工況反應(yīng)譜加速度值如圖3所示。

Z向?yàn)樨Q直方向,由圖3可知,水平方向反應(yīng)譜低頻區(qū)譜值較高,若結(jié)構(gòu)固有頻率較低,則容易引起共振。

4 計(jì)算結(jié)果

分別對(duì)各模型進(jìn)行模態(tài)分析,分析一階固有頻率及振型,并采用譜分析法進(jìn)行抗震計(jì)算,最終將抗震計(jì)算結(jié)果與壓力、自重、接管載荷等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合并按RCC-M相關(guān)評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定。

4.1 模態(tài)分析結(jié)果

分別對(duì)5個(gè)模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算50階模態(tài),空罐、30%、50%、80%、100%液位模型的一階頻率分別為28.36Hz、27.99Hz、26.06Hz、22.03Hz、18.32Hz,隨著液位的升高,結(jié)構(gòu)的一階頻率逐漸降低,由于流體的附加質(zhì)量效應(yīng),結(jié)構(gòu)的固有頻率值大幅度降低,下降幅度高達(dá)35.3%。由圖4可知,液位越高,設(shè)備越柔,則結(jié)構(gòu)更容易在低頻載荷作用下發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)。

各模型前25階頻率如下圖5,差異百分比如圖6,由圖5可知,隨著階數(shù)的增加,液位越高,模型頻率較空罐模型差異值越大[9],則對(duì)后續(xù)抗震計(jì)算結(jié)果影響也會(huì)很大。

4.2 ?譜分析結(jié)果

采用譜分析法進(jìn)行抗震分析,輸入SSE工況地震反應(yīng)譜,各模型支座最大應(yīng)力分別為157.5MPa、226.9 MPa、354.1 MPa、304.9 MPa、325.7 MPa,50%液位模型支座應(yīng)力最大,位于支座螺栓孔附近,見(jiàn)下圖7,可見(jiàn)液位高度對(duì)支座應(yīng)力的影響并不是線性的,地震工況結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與結(jié)構(gòu)的一階頻率,地震譜最大加速度對(duì)應(yīng)頻率區(qū)段有關(guān)。

4.3 結(jié)果評(píng)定

將50%液位模型抗震計(jì)算結(jié)果與D級(jí)工況壓力、自重、接管載荷等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合,按RCC-M H3300采用C級(jí)準(zhǔn)則對(duì)支座取路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化及評(píng)定,按RCCM ZVI 2461對(duì)螺栓的拉剪組合應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果如表2、表3所示,支座及螺栓應(yīng)力均滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

5 結(jié)論

本文基于聲-固耦合算法,建立了日用油箱在空罐、30%、50%、80%、100%液位的有限元模型,采用ANSYS軟件對(duì)各模型進(jìn)行模態(tài)分析,輸入SSE工況地震反應(yīng)譜,采用譜分析法進(jìn)行了抗震計(jì)算。

分析結(jié)果表明,模態(tài)分析各模型的一階頻率分別為28.36Hz、27.99Hz、26.06Hz、22.03Hz、18.32Hz,由于流體的附加質(zhì)量效應(yīng)結(jié)構(gòu)的固有頻率值大幅度降低,下降幅度高達(dá)35.3%;譜分析50%液位模型支座的應(yīng)力最大,可見(jiàn)承受地震載荷時(shí)液位高度對(duì)支座應(yīng)力的影響并不是線性的,其與結(jié)構(gòu)的一階頻率、地震譜最大加速度對(duì)應(yīng)頻率區(qū)段有關(guān);最后按RCC-M評(píng)定準(zhǔn)則對(duì)支座及支座螺栓進(jìn)行了評(píng)定,其應(yīng)力滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

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