基于管路剛度和阻抗實測數據的浮筏隔振性能影響分析

路彤 劉佳 王禹 黎昭文 張路科 魏博 李旸

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213）

泵類設備是反應堆系統中主要的振動噪聲來源，傳統的單層隔振對泵類設備減振效果有限，已逐漸無法滿足更高的振動及聲學性能需求。浮筏隔振裝置作為一項高效的隔振技術手段，借助雙層隔振及中間筏體結構集中質量，可有效降低泵類設備向外界的振動能量傳遞[1-2]。圍繞浮筏隔振系統，學者們針對不同形式的筏體結構[3-5]、主動隔振[6]、安裝姿態[7]等因素對浮筏減振性能影響進行了大量研究。

不同于在設備進出口安裝有減振軟管的常規振源設備浮筏在減振分析時可忽略管路剛度影響，反應堆系統高溫高壓泵進出口管路采用焊接的剛性連接形式，其管路連接剛度遠大于減振軟管連接剛度，在進行浮筏減振效果分析時管路連接剛度影響不應被忽略。此外，安裝基座邊界采用理想的固定約束無法反映結構實際安裝狀態[8]，同樣會影響浮筏減振效果分析結果。

因此，為提高浮筏隔振裝置減振性能分析精度，本文引入泵進出口管路剛度約束，結合浮筏安裝基座實測阻抗數據，采用有限元法深入研究管路剛度對浮筏隔振裝置減振性能影響。

1 研究對象

以反應堆系統高溫高壓泵浮筏隔振裝置及其剛性連接的高能管路為研究對象開展減振分析。其中，浮筏隔振裝置結構示意圖如圖1 所示，主要包括下層減振器、浮筏結構以及上層減振器。浮筏上布置有兩臺立式屏蔽泵。泵體與浮筏之間安裝有8 個減振器（每臺泵4 個），浮筏與安裝基座之間安裝有6 個減振器，減振器主要參數如表1 所示。

表1 減振器主要參數

圖1 浮筏隔振結構示意圖

2 有限元模型

對浮筏隔振裝置模型適度簡化，將安裝基座等效為彈簧阻尼單元，并以安裝基座實測位移阻抗（動剛度）作為彈簧剛度輸入，用于模擬安裝基座的動力學行為。安裝基座位移阻抗（動剛度）數據通過阻抗試驗獲取，通過在每個下部減振器與安裝基座接觸面附近分別用力錘敲擊并采集振動信號，獲取對應測點10～2000Hz 的原點位移阻抗。選取靠近安裝基座中部測點的原點位移阻抗曲線（如圖2 所示）作為安裝基座彈簧單元剛度輸入。

圖2 原點位移阻抗

進出口管路約束等效為彈簧阻尼單元，為獲取泵進出口管路等效剛度參數，建立如圖3 所示的管路及其安裝支吊架模型，定義沿浮筏寬度方向為X 向，長度方向為Y 向，泵軸線方向為Z 向，分別在管路進出口單元節點施加X、Y、Z 向單位力進行靜力學計算獲取相應節點各方向上的位移，通過力與位移比值得到的管路進出口等效剛度如表2 所示。

圖3 進出口管路有限元模型

表2 管路等效剛度

泵體與浮筏筏架結構均采用三維實體單元，上層減振器、下層減振器等效為彈簧阻尼單元。將上層減振器彈簧單元的上下節點分別與泵體支架和浮筏上表面的節點建立MPC 約束，下層減振器彈簧單元的上下節點分別與浮筏筏架結構下表面節點和安裝基座節點建立MPC 約束。簡化后的有限元模型及邊界條件如圖4 所示，對于所有模擬進出口管路剛度的彈簧，約束其遠離泵體一端節點的所有自由度，對于模擬安裝基座阻抗的彈簧，約束其底部節點所有自由度。

圖4 浮筏有限元模型

3 減振效果分析

利用ANSYS 諧響應模塊進行減振性能分析，在圖2 中左側泵重心位置附近節點施加Z 向載荷力。分析頻率范圍為10～2000Hz，間隔為6.25Hz。

引入位移阻抗的諧響應分析流程圖如圖5 所示，在每個諧響應分析步進行計算時，通過循環讀取命令流賦予彈簧單元隨頻率變化的位移阻抗數值。在完成所有頻率點計算后，提取泵機腳、上層減振器底部節點和下層減振器底部節點Z向加速度，并計算頻段內總振級及相應的振級落差作為減振效果評價指標。

圖5 引入位移阻抗的諧響應分析流程圖

計算得到施加管路剛度前后浮筏隔振裝置減振效果，在10～2000Hz 頻率范圍內忽略管路剛度減振效果為47.40dB，施加管路剛度減振效果為47.92dB，減振性能差別較小。其中施加管路剛度后與已有試驗數據對比，在10～315Hz 范圍內分析所得減振效果約為29.55dB，試驗測得的同頻段減振效果約為26.90dB，兩者結果吻合程度較好。圖6 給出了分頻段的減振效果對比，從圖中可以看出，泵機腳節點、上層減振器節點、下層減振器節點平均振級在315～2000Hz 幾乎重合，主要差異體現在10～315Hz 范圍內，施加管路剛度后減振效果相比于無管路剛度提高了約1.35dB。

圖6 施加管路剛度前后減振效果對比

為進一步探究管路等效剛度波動對浮筏減振性能影響，考慮管路入口Z 向剛度變化，兩個入口剛度變化幅度保持一致，取以下五種工況分別進行分析計算：（1）入口-100%（無剛度）；（2）入口-20%；（3）入口+0%；（4）入口+20%；（5）入口+100%。

從圖7 結果顯示，2 倍管路入口剛度相比于無剛度情況下在低頻段（10Hz～315Hz）減振效果約提升了2.81dB，在中高頻段（315Hz～2000Hz）管路減振性能幾乎無變化。受低頻段減振效果影響，總頻段（10Hz～2000Hz）減振效果隨管路剛度增加略有提升。

圖7 不同管路入口剛度下的各頻段減振效果

4 結論

以泵類設備浮筏隔振裝置為研究對象，結合安裝基座阻抗實測數據建立分析模型，開展浮筏減振效果分析，探究了管路剛度波動對減振效果的影響，分析結果表明：

4.1 在10Hz～2000Hz 頻率范圍內，考慮管路連接剛度浮筏減振效果為47.92dB，略高于忽略管路連接剛度時的浮筏減振效果。

4.2 管路剛度波動對浮筏隔振裝置低頻段減振效果影響較大，管路剛度越大，低頻減振效果越好，而中高頻段減振效果幾乎不受管路剛度波動影響。主要原因在于低頻減振效果屬于剛度控制區，管路剛度增大后沿管路傳遞的振動能量隨之增加，致使低頻減振效果升高，因此在剛性連接管路系統泵類設備浮筏減振設計時，應著重考慮管路剛度對低頻減振效果影響。