橋吊車機(jī)械結(jié)構(gòu)抗震方法簡析
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摘要:本文簡要介紹了ACP1000核電廠中燃料廠房人橋吊車在系統(tǒng)中的功能、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、應(yīng)力準(zhǔn)則的選用。利用有限元軟件ANSYS16.0對(duì)其進(jìn)行建模和分析，重點(diǎn)介紹了人橋吊車各機(jī)構(gòu)模型簡化方法、邊界條件約束、計(jì)算方法選取。簡要給出了人橋吊車在抗震分析時(shí)所需分析的重點(diǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)及按照準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行評(píng)定。
關(guān)鍵詞：人橋吊車、應(yīng)力準(zhǔn)則、模型簡化、ANSY正文
1、概述
人橋吊車是燃料廠房內(nèi)的主要燃料裝卸設(shè)備之一。它安裝在乏燃料水池上方25.30m標(biāo)高的軌道上。人橋吊車類似于橋式吊車,用于在燃料廠房中沿X、Y、Z三個(gè)方向水下操作燃料組件和相關(guān)組件。在人橋吊車的小車上裝有一臺(tái)20kN起升機(jī)構(gòu),在大車走臺(tái)下懸掛著一個(gè)下部走臺(tái)。人橋吊車在充滿水的乏燃料貯存水池上方工作，池中裝有直立的乏燃料貯存格架和相關(guān)設(shè)備。利用懸掛在吊鉤上的長桿工具，在各種不同高度位置操作燃料組件及相關(guān)組件。
2、人橋吊車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及應(yīng)力準(zhǔn)則
2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
吊車的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)是與安全有關(guān)的，能承受垂直方向和水平方向同時(shí)作用在吊車重心上的地震力。吊車的設(shè)計(jì)可使燃料組件在地震時(shí)不會(huì)跌落；并排除零部件掉到操作地面或乏燃料水池內(nèi)的一切危險(xiǎn)。大車和小車設(shè)防翻鉤，防止地震時(shí)脫軌。在地震時(shí)，不要求設(shè)備維持運(yùn)行，但在地震后，所有部件經(jīng)過檢修后能繼續(xù)運(yùn)行。在特殊情況下，能通過手動(dòng)操作來完成正在進(jìn)行的燃料操作，并且不損壞燃料組件。
2.2抗震應(yīng)力準(zhǔn)則
人橋吊車可承受極限安全地震震動(dòng)產(chǎn)生的載荷而不失效。地震和正常操作載荷的組合應(yīng)力，通過動(dòng)態(tài)分析來計(jì)算。抗震分析時(shí)，阻尼比：運(yùn)行安全地震震動(dòng)取2%，極限安全地震震動(dòng)取4%；起升載荷取10kN。對(duì)于正常操作工況和事故超載情況下，吊車結(jié)構(gòu)和有關(guān)支撐，以及起升設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)力均小于材料抗拉強(qiáng)度極限的20%。正常載荷和運(yùn)行安全地震震動(dòng)產(chǎn)生的載荷的組合應(yīng)力，均小于材料抗拉強(qiáng)度極限的30%。正常載荷和極限安全地震震動(dòng)產(chǎn)生的載荷的組合應(yīng)力，小于材料的屈服強(qiáng)度。
3、人橋吊車模型簡化
3.1小車簡化
設(shè)計(jì)出人橋吊車機(jī)械結(jié)構(gòu)后，對(duì)其進(jìn)行建模并質(zhì)量簡化。對(duì)吊車總剛度影響不大的部件在模型中考慮為集中質(zhì)量單元，便于建模和計(jì)算。卷筒，小車框架，主、從動(dòng)輪等采用梁單元模擬，起升裝置和電機(jī)等采用集中質(zhì)量單元模擬，水平輪采用剛度很大的彈簧單元模擬。
3.2懸掛走臺(tái)簡化
為減少地震對(duì)懸掛走臺(tái)的影響采用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在橫向，走臺(tái)通過懸掛裝置懸掛在主梁下，水平方向與橋架主梁通過緩沖器連接。每個(gè)緩沖器的剛度K按下面的公式計(jì)算，實(shí)際剛度：HQ-A-9K=160000/0.12。在縱向，懸掛走臺(tái)與吊車通過轉(zhuǎn)軸和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)螺桿連接。調(diào)節(jié)螺桿設(shè)計(jì)為在地震作用下斷開，走臺(tái)可像鐘擺一樣自由擺動(dòng)。鐘擺振動(dòng)頻率為：
3.3橋架大車、大車軌道邊界條件
模型中的邊界條件由車輪功能和大車軌道功能來決定，大車軌道約束Ux、Uy、Uz、Rx、Ry和Rz；被動(dòng)輪，耦合車輪和相應(yīng)位置軌道位置Uz方向的自由度；主動(dòng)輪耦合車輪和相應(yīng)位置軌道位置Uy和Uz方向的自由度；水平導(dǎo)向輪，耦合車輪和相應(yīng)位置軌道位置Ux方向的自由度。
3.4小車邊界條件
小車邊界條件通過耦合小車輪和大車主梁軌道上的相應(yīng)位置來模擬：對(duì)小車被動(dòng)輪，耦合Uz位移；對(duì)小車主動(dòng)輪，耦合Ux和Uz位移；對(duì)導(dǎo)向輪，耦合Uy位移。
3.5計(jì)算方法
利用ANSYS16.0的前處理器建立人橋吊車有限元模型，對(duì)其進(jìn)行自重和額定載荷作用下的靜態(tài)分析，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上用譜分析方法對(duì)其進(jìn)行抗震計(jì)算。利用BlockLanczos方法進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的前87階固有頻率和振型，結(jié)構(gòu)有效質(zhì)量為29.2噸，有效質(zhì)量系數(shù)為0.986，考慮到反應(yīng)譜高頻部分的質(zhì)量丟失問題，進(jìn)行了靜力修正，將人橋吊車的地震響應(yīng)分為兩部分：周期反應(yīng)和剛性反應(yīng)。根據(jù)RG1.92(2006版)的要求，采用Lindley—YOW法+靜態(tài)零周期加速度法。結(jié)構(gòu)的周期性反應(yīng)采用的是CQC法計(jì)算。殘留剛性反應(yīng)采用靜態(tài)ZPA法計(jì)算。對(duì)三個(gè)方向的地震譜分析結(jié)果按SRSS法進(jìn)行組合，最后將譜值分析的結(jié)果與靜態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行線性疊加，按照相應(yīng)的應(yīng)力準(zhǔn)則對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)定依據(jù)要求計(jì)算三種狀態(tài)：-狀態(tài)1：小車帶10KN載荷位于跨端極限位置，吊鉤處于上部位置。-狀態(tài)2：小車帶10KN載荷位于主梁1/4處，吊鉤處于上部位置。-狀態(tài)3：小車帶10KN載位于跨中，吊鉤處于上部位置。
4、計(jì)算及應(yīng)力評(píng)定
對(duì)于人橋吊車每一種狀態(tài)，從四方面進(jìn)行抗震分析。結(jié)構(gòu)固有頻率和振型：對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到前87階固有頻率及振型。模態(tài)分析表明，結(jié)構(gòu)前第87階固有頻率為41.4481HZ，已經(jīng)涵蓋地震反應(yīng)譜的柔性段頻率；同時(shí)，結(jié)構(gòu)的主要響應(yīng)方向?yàn)閅方向，在Y方向上有效質(zhì)量系數(shù)為0.989099。位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)：施加地震載荷后，可分別算出人橋吊車橋架以及懸掛走臺(tái)在各種工況下的三個(gè)方向的位移和應(yīng)力。大車和小車車輪輪壓：施加地震載荷后，可分別算出人橋吊車大、小車輪輪壓以及總輪壓（大車和小車水平輪輪壓可能大于實(shí)際數(shù)值）。大車和小車防翻鉤作用力：施加地震載荷后，可分別算出人橋吊車大、小車車輪行走上拋力，此時(shí)相應(yīng)位置處防翻鉤對(duì)鋼軌有向上的拉力作用。對(duì)于人橋吊車的每一種狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果，都須按照2.2節(jié)應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定并滿足要求。
5、結(jié)論
本文采用有限元軟件ANSYS16.0建立了人橋吊車的三維有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了靜力分析，并在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上用譜分析方法對(duì)其進(jìn)行抗震計(jì)算，得到了結(jié)構(gòu)在各種載荷下的位移和vonMises應(yīng)力，以及運(yùn)行車輪、水平輪輪壓和防翻鉤作用力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和分析，可得到以下結(jié)論：人橋吊車額定載荷作用下，橋架主梁位移小于橋架跨度的1/1000，滿足評(píng)定要求；人橋吊車在各種工況下應(yīng)力滿足評(píng)定要求；人橋吊車在各種工況下應(yīng)力滿足評(píng)定要求，滿足結(jié)構(gòu)完整性要求。人橋吊車車輪與導(dǎo)軌在應(yīng)力最大、軌道寬度尺寸最小的情況下應(yīng)力與位移結(jié)果滿足評(píng)定要求。
作者:李云華 蘇子威 單位:中國核電工程有限公司核設(shè)備所