基于Ansys的核電專用橋式起重機抗震計算分析*

王全偉 張 垚 文 豪 劉宗權 任 燾

太原科技大學機械工程學院 太原 030024

0 引言

地震是地球內部急劇運動釋放巨大能量傳播振動的現象，建筑結構和設備在此震動下會產生過大的結構變形和應力。橋式起重機的橋架兩端通過運行裝置附設于廠房建筑的牛腿結構上，工作循環往復，對安全性要求高[1]。地震對起重機產生的影響主要通過廠房結構傳遞給起重機，由于廠房結構對地震作用有放大效果[2]，橫跨于廠房牛腿上的橋式起重機地震激勵輸入也被放大，產生較大動態響應。核電站專用起重機是指核電廠內吊運高危險品（載荷）的各類起重機，按分類有反應堆廠房的環行起重機、燃料廠房的乏燃料容器起重機、乏燃料水池起重機和輔助起重機等。核電站安全至關重要，故對核電站內的各類起重機進行抗震性能分析是必要的。目前，國內路世青[3]分析了岸邊集裝箱起重機-碼頭耦合情況下岸邊集裝箱起重機的結構動力響應。楊擴嶺[4]運用反應譜法與時程分析方法對1 臺起重機進行抗震分析，對比了2 種方法的優劣性；國外Kalin Radlov等[5]對核電站環行起重機在事故場景下，提出了一種通用方法鑒定起重機結構抗震能力，從而確保核電環行起重機的初步功能和在地震下的安全穩定性。我國核電站的自主研發歷程較復雜，吸收和借鑒技術種類較多，對于核電起重機的抗震標準體系的建立也欠完善，需對比多項國內外標準、規范[6]。本文參考核電起重機設計的相關規范和準則，使用Ansys Workbench 軟件對10 t 核電橋式起重機進行抗震分析，可對今后其他類型的起重機抗震分析起到一定的借鑒作用。

1 核電起重機抗震分析方法的選擇

結構抗震計算發展歷程為靜力法、反應譜法（擬靜力法）和動力法等3 個階段。靜力法是20 世紀初發展起來的，人們對地震動特性和結構特性的了解越來越多，反應譜法開始取代靜力法成為結構抗震分析的主流。隨著計算機技術的飛速發展，動力分析法也開始得到全面發展，但目前動力分析法依舊存在計算量大，計算速度緩慢等缺點。

反應譜法是一種頻域分析，其輸入的載荷為振動載荷的頻譜。反應譜法是分析計算結構各階振型在給定頻譜下的最大響應，該最大響應是響應系數與振型的乘積，這些振型最大響應組合在一起就是結構的總體響應。基于抗震設計反應譜，應用振型關于結構的質量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣（質量與剛度的組合）的正交性對結構振動偏微分方程進行振型分解，將多自由度系統轉化為單自由度運動方程求解，并將單自由度體系中各振型最大反應進行組合，計算出結構體系的最大地震反應。本文所述核電專用橋式起重機為核電廠燃料廠房內的輔助吊運起重機，其安全級別的要求低于核電環行起重機，故選用反應譜法對其進行抗震分析計算。

2 起重機載荷組合與工況的確立

參考國標GB/T 3811—2008 《起重機設計規范》、《核電廠專用起重機設計準則》[7]、ASME NOG-1[8]等標準，起重機在地震情況下荷載組合為：垂直靜載荷+地震載荷+（垂直動載荷）。由于地震的發生無法預測，故需考慮各種狀態下起重機的受震激勵，以保證設計的安全性。根據載荷組合，可劃分11 個典型工況（見表1）。

表1 工況的劃分

3 有限元分析

3.1 物理模型的建立

本次建模結構部件為橋架主梁、端梁、大車車輪、小車軌道、小車架、小車車輪、卷筒、鋼絲繩和代表吊重的質量方塊等。主梁采用箱形梁形式，小車軌道位于主梁上方。在Solidworks 中建立模型，后導入Ansys Workbench 中進行分析。模型主要使用實體單元，鋼絲繩部分使用Link 180 單元。由于Workbench 無法直接選用Link 單元，故通過添加命令的方式實現此操作，同時添加受拉不受壓命令，使建立的模型能較好地模擬真實情況下鋼絲繩吊運貨物的狀態。在鋼絲繩模型下端設置質量方塊，通過修改密度方式使其達到現實貨物的質量。其余缺失質量如機構部分和電氣部分，按實際作用位置均布施加在起重機上。整體模型如圖1 所示。

圖1 核電廠10/2t 輔助吊車仿真圖

3.2 模型邊界條件與約束的施加

參考國內《核電廠專用起重機設計準則》和美國ASME NOG-1 橋式起重機和龍門起重機的建造規范，對起重機的邊界條件和車輪自由度進行約束。起重機大車車輪約束采用Ansys 中的遠端位移約束，根據實際工況限制其自由度。在豎直方向，軌道承受車輪向下的重力；在地震狀態下，抗震鉤起到防止起重機上拋的作用，整機在豎直方向(Y方向)受到雙向約束。大車運行方向，1、2 號大車車輪安裝有水平導向輪限制其X方向的移動，同時主動輪受到制動器的約束，限制其在Z 方向的位移。

小車車輪與主梁上的小車軌道進行耦合，采用有摩擦連接和運動副的方式約束小車車輪的自由度，真實模擬受震狀態下小車與大車的連接狀態。小車各車輪在豎直方向保持雙向約束，在水平面方向因水平輪和車輪與軌道的摩擦力、制動器等存在分別約束4 個小車車輪的自由度，保證仿真的真實有效性。大小車車輪標識圖見圖2，具體自由度約束見表2。

圖2 大小車輪約束示意圖

表2 大小車車輪三維空間內具體自由度約束

3.3 有限元求解

本次分析計算流程為靜力分析預應力模態分析響應譜分析。對模型先進行靜力分析，然后在預應力模態分析中，為保證模型質量參與度能達到90%以上，在鋼絲繩較長的情況下選取求解前50 階模態；最后根據模態分析求出模型的頻率，選擇合適的反應譜計算方法，添加該起重機對應的樓層反應譜。根據《核電廠抗震設計規范》，在運行安全地震振動（SL-1）時起重機阻尼比為2%，在極限安全地震震動（SL-2）時起重機阻尼比為4%。對應的反應頻譜見圖3、圖4。

圖3 SL-1 反應譜

圖4 SL-2 反應譜

4 橋式起重機計算結果分析

4.1 反應譜法計算結果

使用Ansys Workbench 反應譜模塊對該核電專用橋式起重機進行分析，求解出其各工況下的靜應力、SL-1時的最大響應應力和SL-2 時的最大響應應力。圖5～圖7 為典型工況跨中滿載上極限時的橋架的靜應力圖、SL-1 應力圖和SL-2 應力圖。

圖5 跨中滿載工況下橋架靜應力圖

在圖6、圖7 中，最大顯示應力分別為426.56 MPa、545.2 MPa。經探測，最大應力點在主梁與端梁的無縫結合的邊緣點處，屬應力奇異現象。同時，在端梁上部有部分應力顏色顯示為紅色（此為壓應力），可無需考慮。經測量，在SL-1 情況下，拉應力的最大值為129.45 MPa；在SL-2 情況下，拉應力的最大值為234.14MPa。全部工況應力如表3 所示。

圖6 跨中滿載上極限工況下SL-1 應力圖

圖7 跨中滿載上極限工況下SL-2 應力圖

表3 各工況下橋架主梁應力 MPa

4.2 設計準則驗證

根據NB/T 20234《核電廠專用起重機設計準則》中起重機抗震設計的規定，在SL-1 情況下起重機結構的組合應力應小于材料抗拉強度σb的1/3；在SL-2 情況下起重機結構的組合應力應小于材料的下屈服強度σs。此起重機主要結構材質為Q345 鋼，σb＝470～630 MPa（取550MPa），σs＝345 MPa。基于Ansys Workbench軟件的反應譜分析計算了該起重機的12 種工況，歸納了其靜應力與響應應力的最大值，各工況下其靜應力最大值為75.599 MPa，小于評判準則0.2σb＝110 MPa；SL-1 最大響應應力為136.47 MPa，小于評判準則0.3σb＝165 MPa；SL-2 最大響應應力為234.14 MPa，小于σs＝345 MPa。該核電橋式起重機符合設計規范要求。

5 結論

1）歸納總結了該起重機小車在主梁不同位置，吊載不同高度下SL-1、SL-2的最大應力，計算結果滿足設計規范要求。

2）使用Link 180 單元模擬鋼絲繩有較好的效果，可反應為上下極限工況下吊載對起重機應力的影響。

3）本次對核電專用橋式起重機的抗震計算分析研究，為其他類型的起重機進行抗震分析提供了一定的參考價值。