低壓開關柜抗震分析

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的某型低壓開關柜進行抗震仿真分析，根據核電行業相關標準要求，采用振型分解反應譜法，計算出柜體結構在8度地震作用下的位移、速度、加速度響應及整體的等效應力分布情況，評估當前柜體結構的抗震效果，并找出當前設計結構強度的薄弱點，為后續的柜體結構改進提供理論數據以及改進方向。

關鍵詞：ANSYS Workbench；振型分解反應譜法；抗震分析

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A

0.引言

安全是核電的生命線，核電機組的安全運行離不開安全可靠的電氣設備。地震是最常見、危害最大的自然災害，它可能導致核電廠各物項同時失效，因此核電廠中所有抗震I類設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行其安全功能。文中使用仿真軟件ANSYS Workbench模擬設備的地震響應動力學特性，評估設備在地震力作用下的安全性。

1.柜體結構抗震分析

文中分析對象為安裝于紅沿河地區室內的開關柜。使用GB13625標準中規定的動態分析法，計算沿用GB50260標準中的反應譜分析法。根據HAF J0053與GB13625規定的要求設定邊界條件。開關柜結構可理解為復雜鋼建筑結構，假設結構為線彈性多自由度體系，所以采用振型分解反應譜法進行計算。

（1）前處理

框架斷路器本身結構復雜，因此分析時采用等重、等體積立方體質量塊替代。開關柜骨架計算時將其視為板殼結構，采用抽取中間面的方式建立CAE模型，如圖1所示。

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

（2）靜力分析

由于重力的作用，開關柜在承載重力載荷時結構本身的剛度將發生改變，這會改變開關柜本身的固有頻率，所以開關柜地震譜分析的最終結果需要與結構本身的靜力載荷進行疊加。因此在進行反應譜分析前需要進行靜力分析。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）模態分析

模態是指機械結構的固有振動特性，作為反應譜分析的基礎，可從模態分析的結果能得到結構本身的固有頻率、振型及各方向的質量參與系數等。確定模型的約束后，對開關柜結構進行模態分析，求解前50階固有頻率。

從模態分析的結果中可以得出以下結論：

（a）X軸向與Y軸向（水平方向）總的質量參與系分別為92.15%與89.63%，滿足GB50260標準中采用振型分解反應譜法的規定。Z軸向（豎直方向）在前50階模態分析中未出現明顯的共振頻率，因此到后續的反應譜合成中將忽略Z軸向（豎直方向）產生的影響。

（b）結構的第一平動周期為13Hz、第一扭轉周期為34Hz，相鄰振型周期比為0.383，小于GB50260中規定的0.9，因此后續譜分析選用SRSS合成法。

（4）響應普分析

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

（5）載荷合成及結果

開關柜在地震的作用下需要承受地面加速度造成的動力響應以及結構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果，如圖3所示。

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

（b）譜分析與靜力分析合成后，承重梁最大等效應力為207MPa，結構最大等效應力為242MPa，位于左后側板支腳，開關柜的最大位移出現在柜頂區域，位移大小為2.9mm。

2.結論

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

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

開關柜主體結構受到SSE地震時，結構中各構件均處于彈性變形范圍內，主體結構不會出現垮塌、變形過大或永久變形等問題，結構強度可靠穩定，能滿足設備在特定場所的應用。

參考文獻

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