水上换料机起重结构抗震分析_朱涛.pdf

水上换料机起重结构是乏组件工艺运输系统的关键设备，需要对其在地震工况下的结构强度进行校核。文中应用有限元分析软件 Ansys 建立了水上换料机起重结构的有限元模型，并结合反应谱法，对水上换料机起重结构在极限安全地震（SL-2）时的结构抗震特性进行了分析，为相关低温堆装卸系统的设计和建设提供了技术支持。关键词：水上换料机；起重结构；反应谱法；抗震分析中图分类号：U674.35 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）12-0046-05Abstract:Considering that the lifting structure of the floating refueling machine is the key equipment of the spent fuel assembly transportation system,it is necessary to check its structural strength under earthquake conditions.In this paper,the finite element analysis software Ansys was used to establish the finite element model of the lifting structure of the floating refueling machine.Combined with the response spectrum method,the seismic characteristics of the lifting structure of the floating refueling machine under the extreme safety earthquake(SL-2)were analyzed,which provides a technical basis for the design and construction of the related low-temperature reactor loading and unloading system.Keywords:floating refueling machine;lifting structure;response spectrum method;seismic analysis0 引言水上换料机的基本结构为一个横跨于堆芯水池之上的大车桥架结构，并可在固定于预埋板的导轨上运动。水上换料机起重结构是乏组件工艺运输系统的关键设备之一，主要任务包括将新燃料组件从乏燃料水池或其他位置运送到堆芯指定位置、将乏燃料组件从堆芯指定位置运送到贮存水池指定位置。水上换料机起重结构是危险环境中使用的特种装备，属于核电厂中的抗震设备，针对其工作状态，需要对其在地震工况下的结构强度进行校核、评定1-4。NB/T 202342013 核电厂专用起重机设计准则5规定：起重机在最大危险载荷加极限安全地震（SL-2）工况下应能保持载荷不跌落，起重机和小车应能保持在轨道上不碰周围建筑物，且无零件掉落；最大危险载荷和极限安全地震下的组合应力应小于材料的屈服强度。本次抗震分析的目的在于计算水上换料机起重结构在极限安全地震（SL-2）多种工况组合下的动态反应，评估其结构抗震特性，并得到结构设计校核所需的相关接口数据，所依据的相关规范有 GB/T 38112008起重机设计规范6、ASME NOG-12015桥式和门式起重机制造标准7和 NB/T 202872014压水堆核电厂装卸料机设计制造规范8等。1 结构介绍如图 1 所示，水上换料机起重结构主要由桥架、大车运行机构、门架、单轨吊车装置、小车（包括上部套筒）、固定套筒、抓具、伸缩套筒、电动葫芦、电气控制系统及供电装置、附属钢结构等组成。水上换料机起重结构的功能有大小车运行机构实现吊车沿水平方向的运动；起升机构带动伸缩套筒和抓具实现竖直方向的运动；小车上部套筒及回转装置实现抓具竖直方向旋转；桥架和小车架起到承载作用；电气控制系统实现运动的控制以及安全监测与保护等。水上换料机起重结构各主要部件的连接方式为：桥朱涛.水上换料机起重结构抗震分析 J.起重运输机械，2023（12）：46-50.引 用 格 式ANALYSIS RESEARCH分析研究472023 年第 12 期/ANALYSIS RESEARCH分析研究架主梁上有小车轨道，通过 4 个小车车轮支承着小车；小车架上有上部可回转套筒及下部固定套筒，上部套筒顶部有起升机构，起升机构通过钢丝绳连接伸缩套筒，伸缩套筒下部为抓具，起升机构通过收放钢丝绳带动伸缩套筒的升降，从而带动抓具的升降，实现对组件的抓取和释放。图 1 水上换料机起重结构示意图2 载荷工况根据水上换料机起重结构的相关技术规范要求，在极限安全地震(SL-2)载荷下按小车与桥架的相对位置、吊重位置及空载和吊装载荷等因素确定载荷工况，本文确定的载荷工况如表1所示。其中，PG表示结构自重（约31.6 t），PQ表示吊装设备载荷（0.4 t），PSL-2表示极限安全地震载荷。3 计算模型及地震加速度在建立抗震计算力学模型时，可根据换料机设计方案图纸，依据各零部件的实际形状、位置、截面特性、质量分布及力学基本原理等做相应简化处理。结合有限元分析软件Ansys，水上换料机起重结构中的桥架、小车、门架、伸缩套筒、抓具及组件等结构采用梁单元 Beam 188 模拟，梁截面为结构的真实截面；采用 Link 180 单元模拟起升钢丝绳，小车与桥架主梁的轮轨接触、固定套筒与伸缩套筒之间的接触情况均根据实际接触的位置采用耦合自由度方式作简化模拟；起升机构及运行机构在对应的位置建立 Mass 21 单元模拟。由此，最终建立的有限元模型如图 2 所示，分别为小车位于跨中和跨端的位置，图中所示吊重位置均为燃料组件位于上极限。模型中的 x 方向为水上换料机起重结构小车运行轨道方向，y 方向为大车运行轨道方向，z 方向为竖直方向。根据 ASME NOG-12015桥式和门式起重机制造标准中的规定，水上换料机起重结构大车车轮处采用简支约束（即轮 1 约束 x 方向、y 方向、z 方向的平移自由度，轮 2 约束 x 方向、z 方向的平移48/2023 年第 12 期表 1 水上换料机起重结构载荷工况表此次计算的输入为换料机起重结构标高位置处 x 方向、y 方向、z 方向的地震加速度反应谱，得出图 3 所示曲线，其阻尼比为 4%。图 3 地震反应谱4 固有频率分析本文通过模态分析确定结构或部件的振动特性，即固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是进行谱分析所必需的前期分析过程。振型是在结构某一阶特征周期下算得的各个质点相对位移，在形状上可如实反映实际结构在该周期下的振动形态。本次分析选取水上换料机起重结构前 300 阶固有频率和振型进行计算，以确保谱分析中结构在 x 方向、y 方向、z 方向上振型参与质量达到结构总质量的 90%以上。以跨中上极限满载（工况 2）为例，换料机起重结构前6阶的模态分析结果见表2，图4给出了前2阶振型。从模态分析的结果可以看出，在地震发生时，门架电葫芦工字梁和小车下部固定套筒可能为薄弱环节，在后续谱分析计算及结果评定中需要重点关注。表 2 水上换料机起重结构前 6 阶模态5 地震响应计算结果在极限安全地震（SL-2）载荷作用下，对水上换料机起重结构进行反应谱分析时，应按照规范规定对 x 方自由度，轮3约束z方向的平移自由度，轮4约束y方向、z 方向的平移自由度）。工况小车位置吊重位置载荷组合工况 1跨中上极限PG+PSL-2工况 2上极限PG+PQ+PSL-2工况 3下极限PG+PSL-2工况 4下极限PG+PQ+PSL-2工况 5跨端上极限PG+PSL-2工况 6上极限PG+PQ+PSL-2工况 7下极限PG+PSL-2工况 8下极限PG+PQ+PSL-2（a）有限元模型（显示梁单元截面）（b）有限元模型（小车位于跨中）（c）有限元模型（小车位于跨端）图 2 小车有限元模型图阶数频率/Hz振型描述11.55门架电葫芦工字梁在 y 方向振动21.65固定套筒在 y 方向振动31.80固定套筒在 x 方向振动41.84门架在 y 方向振动52.47门架绕在 z 方向扭转振动62.51小车上部平台在 x 方向振动ANALYSIS RESEARCH分析研究492023 年第 12 期/ANALYSIS RESEARCH分析研究向、y 方向、z 方向地震作用下的响应值采用 SRSS（平方和开根号）方法进行组合，并与自重工况的结果进行叠加（考虑正负号），从而计算得到换料机各部件在地震时的位移、应力、车轮力及钢丝绳力等结果。（a）第 1 阶振型（b）第 2 阶振型图 4 工况 2 时换料机起重结构前 2 阶振型图5.1 位移响应计算结果水上换料机起重结构主要部件在极限安全地震下的最大位移响应值如表 3 所示。由表 3 可知，在极限安全地震载荷下，水上换料机起重结构各部件最大位移响应值为 86.98 mm（综合位移），小于换料机与乏燃料水池壁的最小距离，故地震时不会与水池壁发生碰撞。5.2 应力响应计算结果水上换料机起重结构主要部件在极限安全地震下的最大应力（等效应力 Von Mises）响应如表 4 所示。由表 4 可知，在极限安全地震载荷下，水上换料机起重结构各部件最大应力响应值为 190.62 MPa，发生在工况 1状态时，结构在该工况下的应力云图如图 5 所示。由图5 可知，最大应力出现在门架电葫芦工字梁处。可见，地震工况下各部件的最大应力小于材料的屈服强度（355 MPa），满足规范要求。表 3 最大位移响应结果汇总表 mm 表 4 最大应力响应结果汇总表 MPa 图 5 地震载荷下结构应力云图工况桥架门架小车固定套筒工况 112.06 86.98 57.58 59.21 工况 212.13 86.73 57.22 63.59 工况 311.45 86.91 57.15 58.46 工况 411.74 86.93 57.22 58.56 工况 58.44 86.78 50.94 67.11 工况 68.53 86.48 50.85 71.12 工况 78.37 86.73 50.66 66.87 工况 88.41 86.73 50.69 67.01 工况桥架门架小车固定套筒工况 160.78 190.62 154.29 55.47 工况 260.96 190.00 150.84 57.88 工况 360.63 189.40 155.19 53.73 工况 461.89 190.59 155.32 54.01 工况 559.73 189.89 160.77 56.37 工况 660.04 189.89 159.94 59.29 工况 759.20 189.99 160.06 54.30 工况 859.32 190.00 160.18 54.31 50/2023 年第 12 期5.3 车轮力响应计算结果水上换料机起重结构在极限安全地震下的车轮力响应如表 5、表 6（车轮编号与图 2 一致）所示。在极限安全地震载荷下，水上换料机起重结构的最大垂直车轮力为 194.05 kN，水平 x 方向的最大车轮力为 106.62 kN，水平 y 方向的最大车轮力为 89.13 kN。最大车轮力作为接口数据输出，垂直车轮力与 x 方向的车轮力用于校核车轮和轨道的强度，y 方向的车轮力用于校核 2 个主动轮的制动力。表 5 最大垂直车轮力结果汇总表 kN 表 6 最大水平车轮力结果汇总表 kN5.4 钢丝绳力响应计算结果水上换料机起重结构在极限安全地震下的钢丝绳力响应如表 7 所示。对水上换料机起重结构在地震工况下钢丝绳受力进行计算及评定，可依据设计规格书要求，钢丝绳破断拉力为 42.6 kN，安全系数为 1.8，则钢丝绳力许用值为 42.61.8 23.67 kN。在极限安全地震载荷下，水上换料机起重结构钢丝绳力的最大响应值为5.90 kN，小于许用值，满足相关规范要求。表 7 钢丝绳力结果汇总表 kN6 结语本文采用反应谱法对水上换料机起重结构在极限安全地震载荷下的结构抗震特性进行了分析研究，结果表明：在地震载荷作用下，换料机不会与水池壁发生碰撞，结构各部件的最大应力、最大钢丝绳力均小于许用值，故结构的抗震性能满足规范要求。通过本文分析得到的车轮力作为接口数据输出，可用于相关结构的设计校核。本文的研究成果对换料机抗震设计及乏燃料水池的设计建设提供了技术支持。参考文献1 贾晓峰，周国丰，毕祥军，等.大型压水堆核电站换料机 的强度分析 J.核科学与工程，2010，30（3）：258-271.2 刘刚，贾晓峰，吴凤岐.核电站换料机主梁拱度曲线设计 J.起重运输机械，2015（11）：36-39.3 荀玉伟，王丹超.核燃料换料机J.一重技术，2018（2）：5-8.4 魏超，唐晖，郭超，等.核电厂装卸料机抗震性能分析研 究 J.核科学与工程，2018，38（4）：683-695.5 NB/T 202342013 核电厂专用起重机设计准则 S.6 GB/T 38112008 起重机设计规范 S.7 ASME NOG-12015 Rules for Construction of Overhead and Gantry Cranes(Top Running Bridge，Multiple Gird-er)S.8 NB/T 202872014 压水堆核电厂装卸料机设计制造规范 S.作者邮箱：收稿日期：2023-01-16工况车轮 1车轮 2车轮 3车轮 4工况 1158.67140.53139.90130.18工况 2157.85139.76140.39130.63工况 3154.97137.44132.94124.67工况 4156.72138.87136.61127.64工况 5121.4497.06190.37175.72工况 6121.1396.49194.05178.44工况 7121.4596.98187.49173.97工况 8121.5697.32189.67175.36工况水平 x 向水平 y 向车轮 1车轮 2车轮 1车轮 4工况 173.79105.2663.2045.60工况 273.57104.2262.0144.95工况 372.05102.0562.4745.21工况 474.53106.6262.4845.21工况 564.8894.1145.4988.95工况 665.3794.7645.5689.13工况 764.0492.9145.5087.10工况 864.2593.2445.5187.11工况钢丝绳力工况 25.61 工况 45.90 工况 65.41 工况 84.31 ANALYSIS RESEARCH分析研究