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1分析模型創(chuàng)建

根據(jù)饋線在裝置中所處位置不同，每個(gè)饋線又被分成三大部分，即:內(nèi)饋線、過(guò)渡饋線彎盒以及終端盒(CTB)。其中內(nèi)饋線部分位于杜瓦內(nèi)部;過(guò)渡饋線及S彎盒，穿過(guò)杜瓦，連接內(nèi)饋線和終端盒;終端盒則用于接低溫系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。饋線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件眾多，在創(chuàng)建饋線有限元分析模型時(shí)，需要根據(jù)饋線部件不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用不同的有限元單元?jiǎng)?chuàng)建。對(duì)于饋線中的殼體類(lèi)零部件，如終端盒殼體、S彎盒殼體、外保護(hù)管，Ring環(huán)殼體、冷屏等薄殼類(lèi)部件，統(tǒng)一采用殼單元模擬，并通過(guò)殼單元的實(shí)常數(shù)來(lái)控制不同殼體的厚度;饋線中的超導(dǎo)母線，為多截面(其橫截面由內(nèi)到外依次為超導(dǎo)體、不銹鋼鎧體及絕緣體三部分)細(xì)長(zhǎng)實(shí)體，采用梁?jiǎn)卧?188單元)進(jìn)行模擬，超導(dǎo)母線的多截面特點(diǎn)則是通過(guò)設(shè)置不同的梁?jiǎn)卧孛鎱?shù)來(lái)模擬;饋線中Ring環(huán)支撐采用T形鋼結(jié)構(gòu)，可同樣采用梁?jiǎn)卧M，并通過(guò)梁?jiǎn)卧慕孛鎱?shù)來(lái)控制其外形尺寸及形狀。在分析中采用梁?jiǎn)卧M的結(jié)構(gòu)還包括超導(dǎo)母線支撐及冷卻管支撐，考慮到這些支撐的剛度遠(yuǎn)大于超導(dǎo)母線以及冷卻管本身，因此在分析中，我們對(duì)母線及冷卻管支撐采用剛性梁代替(設(shè)置較大剛度)。內(nèi)饋線與過(guò)渡饋線連接處的鉸鏈結(jié)構(gòu)則通過(guò)44梁?jiǎn)卧M，并通過(guò)釋放44單元的旋轉(zhuǎn)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)功能。而饋線中的各類(lèi)低溫冷卻管道則可直接用管單元模擬，同時(shí)通過(guò)設(shè)置管單元實(shí)常數(shù)來(lái)控制冷卻管的尺寸特征。分析模型中各類(lèi)控制閥則以集中質(zhì)量形式，通過(guò)Mass21單元施加在對(duì)應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上以模擬其質(zhì)量。饋線地震分析有限元模型創(chuàng)建的最大難點(diǎn)在于母線及管道支撐間隙的模擬。當(dāng)前關(guān)于核壓力管道地震的相關(guān)分析中，通常忽略管道與支撐的間隙，并按照固定約束處理，但考慮支撐間隙客觀存在，尤其對(duì)于饋線結(jié)構(gòu)的S彎處，采用夾板式支撐，可運(yùn)動(dòng)空間較大，如果忽略支撐間隙，勢(shì)必會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，對(duì)于支撐間隙我們采用了帶間隙的彈簧單元模擬，彈簧單元一個(gè)節(jié)點(diǎn)在母線(或冷卻管)上，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)(兩節(jié)點(diǎn)重合)在支撐上，并通過(guò)支撐連接到隔板等部件上。由于每個(gè)單元只能對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行限制，因此對(duì)于母線及冷卻管的每個(gè)卡箍型支撐，需要設(shè)置單元，對(duì)于S彎處的夾板型支撐，根據(jù)部位的不同，分別需要設(shè)置兩個(gè)(限制左、右運(yùn)動(dòng))或3個(gè)(支撐頂部或底部，限制3個(gè)方向運(yùn)動(dòng))單元。最終創(chuàng)建的有限元分析模型所示。

2地震分析

饋線在地震載荷作用下，其變形及內(nèi)力與饋線的自衛(wèi)時(shí)間和振型有關(guān)，因此，模態(tài)分析是對(duì)饋線進(jìn)行地震分析的基礎(chǔ)。利用ANSYS模態(tài)分析的子空間迭代法對(duì)模型進(jìn)行分析。獲取的模型前10階頻率所示，其中1、9階振型主要表現(xiàn)為S彎處管道右側(cè)側(cè)向擺動(dòng)，2、4、6階振型主要表現(xiàn)為饋線左右側(cè)向擺動(dòng)，并發(fā)生明顯扭轉(zhuǎn)，3、7、10階振型主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)，5、8階振型主要表現(xiàn)為橫向擺動(dòng)。地震頻譜分析模態(tài)分析完畢后，采用譜分析法對(duì)饋線進(jìn)行地震分析。譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)地震及其它隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)。由于反應(yīng)譜理論計(jì)算簡(jiǎn)單、概念合理，所以目前很多國(guó)家都采用這一理論進(jìn)行地震計(jì)算。分析中采用歐米伽建造地法國(guó)卡達(dá)拉奇地震載荷譜，按兩個(gè)相互垂直的水平方向和一個(gè)豎直方向施加，其中豎直方向加速度峰值取水平向加速度峰值的2/3。最后通過(guò)SRSS法(最大反應(yīng)值的平方和的平方根法)進(jìn)行模態(tài)疊加組合，以獲取饋線的地震響應(yīng)應(yīng)力及位移情況。分析結(jié)果分析結(jié)果表明地震引起的附加應(yīng)力較小，對(duì)于終端盒、S彎盒、外保護(hù)管，Ring環(huán)殼體等較厚的殼體部件，最大地震響應(yīng)應(yīng)力(一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度)小于4MPa，最大一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度值小于5MPa;對(duì)于冷屏這樣的較薄殼體部件，其最大地震響應(yīng)應(yīng)力約為15MPa，最大一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度值小于11MPa;受地震載荷作用影響最大的是S彎處超導(dǎo)母線及冷卻管，此處最大地震響應(yīng)應(yīng)力約為38MPa左右，最大一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度值約為40MPa。根據(jù)饋線設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，要求一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度小于2/3倍的材料屈服強(qiáng)度(即:許用應(yīng)力為2/3倍的材料屈服強(qiáng)度)，同時(shí)要求一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度值小于1．5倍的材料許用應(yīng)力。上述地震分析結(jié)果均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)檢查饋線變形情況，部件之間未發(fā)生干涉，即:現(xiàn)有饋線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足地震要求。不考慮間隙的計(jì)算結(jié)果將分析模型中Combin40單元的間隙值設(shè)置為0，重新分析，模擬并獲取不考慮間隙時(shí)饋線各主要部件的地震響應(yīng)情況。分析結(jié)果表明，對(duì)于終端盒、S彎盒、外保護(hù)管，Ring環(huán)以及冷屏等殼體組件，間隙值對(duì)分析結(jié)果基本沒(méi)有太大的影響(1%以?xún)?nèi))，但對(duì)于超導(dǎo)母線及冷卻管這些管道部件，間隙對(duì)應(yīng)力大小及應(yīng)力分布均產(chǎn)生較大影響，特別是對(duì)于S彎處，其最大應(yīng)力由考慮間隙時(shí)的約38MPa降至約10MPa，即S彎處最大應(yīng)力在不考慮間隙時(shí)約為考慮間隙時(shí)的25%左右，且最大應(yīng)力位置發(fā)生改變;對(duì)于過(guò)渡饋線及Ring環(huán)處的管道(采用卡箍型支撐)，其最大應(yīng)力也只為考慮支撐時(shí)最大應(yīng)力的80～90%左右。即支撐間隙對(duì)管道類(lèi)部件有較大影響，在進(jìn)行地震分析時(shí)，應(yīng)該充分考慮間隙存在對(duì)管道類(lèi)部件分析結(jié)果的影響。

作者：張遠(yuǎn)斌宋云濤單位：合肥學(xué)院機(jī)械系