非安全級DCS系統電源機柜抗震分析

路梓照，崔英偉，閆旭東，陳國慶

（1.北京強度環境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300301）

引言

核電DCS系統是核電站的信息神經中樞，在核電站安全穩定運行方面作用重大，而電源機柜作為電力系統設備的主要載體，其安全性和可靠性更加重要。電源機柜的固有頻率通常較低，地震載荷對其安全性影響較大。在地震載荷作用下，機柜可能出現結構變形甚至機柜破壞失效的現象。因此對核電站運行設備依據相關規范進行抗震模擬分析是十分必要的。本文依照核安全法規，對電源機柜進行抗震分析，進行結構完整性驗證[1]。

1 結構及材料特性

非安全級DCS系統電源機柜外形尺寸為2200 mm（高）800 mm（寬）800 mm（深），總重量387 kg，機柜內部主要電子設備包括機柜報警模塊、IN65N空開、浪涌保護器、直流電源等，重量約17.85 kg。電源機柜主要由薄鋼板通過滾扎或折彎成型，為薄壁結構，材料選用Q235普通碳素結構鋼，材料的基本性能與許用應力見表1。

表1 材料的特性

2 有限元模型

機柜主體結構采用殼單元（SHELL 181）模擬，螺栓采用梁單元（BEAM188模擬）。柜內電子設備不考慮形變，僅考慮其質量對柜體結構的影響，柜內電子設備模擬質量及外形加載到機柜相應導軌上。機柜模型圖如圖1，機柜模型網格劃分圖如圖2。機柜與底部支撐之間采用螺栓連接，機柜有限元模型的邊界條件為機柜底座6只地腳螺栓位移固定約束。

圖1 機柜模型圖

圖2 機柜模型網格劃分圖

3 載荷條件及分析方法

3.1 載荷條件

正常工作條件下，機柜及其內部設備所受載荷只有自重，自重計算時取重力加速度g=9.8 m/s2。電源機柜放置在標高15.5 m的廠房內，地震載荷選用15.5 m廠房5 %阻尼的樓層反應譜，計算時取10 %的裕度。樓層反應譜曲線如圖3所示。

圖3 樓層反應譜曲線

3.2 反應譜分析方法

地震反應分析方法主要包括靜力法、反應譜法和時程分析法。靜力法不考慮結構的動力特性，時程分析法雖然較為準確，但計算量大，反應譜法操作相對較為簡單。反應譜分析用于確定地震載荷作用下結構可能的響應。反應譜分析的本質是將動態問題轉換為靜態問題。反應譜分析是通過振型疊加法完成的，將多自由度體系視為多個單自由度體系的組合，將單自由度質量-彈簧-阻尼系統置于地震載荷中，計算每一個單自由度體系的最大響應，然后將單自由度體系最大響應通過組合的方式得到結構地震載荷下的最大響應[2]。

反應譜分析方法可利用ANSYS譜分析中響應譜分析法輔助計算，模態合并算法使用算法平方和開方SRSS的組合算法。

第i階模態的最大響應為：

式中：

Di—第i階模態的最大響應；

Ai—第i階模態的模態系數；

φi—第i階模態的振型向量。

SRSS的組合算法的一般形式為：

式中：

Da—合并后的模態總體響應；

N—參與合并的模態數目。

4 計算結果及評定

4.1 模態分析結果

反應譜分析采用模態疊加法求解，模態數量必須使累計的質量參與系數大于等于90 %。通過計算機柜結構的前100階模態，固有頻率介于15～90 Hz，前5階模態計算結果見表2，模型1階振型參與質量較大，主要振動特性為繞Y軸扭轉，模態分析1階振型圖如圖4所示。

圖4 模態分析1階振型圖

表2 模態前5階計算結果

4.2 自重載荷分析結果

正常工作條件下，機柜及其內設備所受載荷只有自重。通過有限元軟件對模型進行靜力分析，提取正常工作條件下結構的膜應力和彎曲應力以及節點位移，生成機柜在自重載荷下的應力云圖和位移云圖。正常工作條件下應力云圖見圖5所示，最大膜應力8.34 MPa，彎曲應力+膜應力最大值為20.01 MPa，發生在機柜頂板位置。位移云圖見圖5（c）所示，最大變形值0.34 mm，發生在機柜頂部。

圖5 自重載荷分析結果

4.3 反應譜分析結果

根據模態計算結果，對三個方向反應譜的輸入進行響應計算，獲得在反應譜下的響應云圖，詳見圖6所示。膜應力最大為93.54 MPa，膜應力+彎曲應力最大為135.68 MPa，出現在電子元件的安裝板與機柜框架連接位置，機柜最大變形為3.75 mm，發生在機柜門板位置。

圖6 反應譜分析結果

4.4 螺栓應力分析

考慮機柜自重和地震載荷工況對機柜進行分析計算，獲得機柜底部6個地腳螺栓的支反力情況。包絡6個螺栓的最大拉力為6800.2 N，兩個水平方向最大剪切力為7409.9 N和3010 N，則單個螺栓所承受的最大拉力FN和剪切應力FT分別為6739.9 N和7997.92 N。

根據機械手冊M20螺栓的應力截面積A=245 mm2，單個螺栓的最大拉應力和最大剪切應力為：27.76 MPa和32.64 MPa。

4.5 應力分析結果及評判

根據RCC-M三類設備標準進行評價，設備的評價標準見表3，螺栓的評價標準見表4。

表3 RCC-M規則抗震設備的工況和載荷以及評價標準

正常條件和事故條件下機柜的薄膜應力以及薄膜加彎曲應力評價結果見表5，應力評價通過。

表5 反應譜法抗震分析應力計算結果及評價（MPa）

按RCC-M Z VI 2460螺栓緊固件連接的要求，螺栓緊固件的拉伸應力與剪切應力應滿足表4的方程，地腳螺栓的應力評價見表6，從表6的結果可以看出螺栓應力滿足規范要求。

表4 RCC-M螺栓連接件的應力限值

表6 螺栓應力評定

5 結論

通過對非安全級DCS系統電源機柜進行有限元分析計算，可以得出在自重和地震載荷作用下，電源機柜的結構設計滿足RCC-M規范的相關要求，能夠滿足結構的完整性。