引言
某核电厂应急柴油机存在一根冷却水管道与燃油系统的管道支架D301.020距离过近的问题，地震工况下存在冷却水管道与D301.020支架碰撞的风险，不满足抗震要求，需对支架进行改造。本文利用大型通用有限元软件ANSYS Workbench，对改造后的燃油系统D301.020支架进行了抗震性能计算，并根据计算结果对该支架结构在多种组合工况下的强度和变形情况进行了验算。
1.背景介绍
燃油系统的管道支架D301.020原设计存在一个三角形的伸出端，该伸出端上布置有一个管道支撑点，以支撑燃油管道。一根自下而上的冷却水管道与该支架的三角形伸出端距离过近，地震情况下存在冷却水管道与该支架存在碰撞破裂的风险。
考虑抗震风险后，对支架D301.020外形进行改造，切除了三角形伸出端的顶端部分，增加冷却水管道与该支架的距离。改造前后的支架D301.020如下图：
图1 改造前的支架示意图
图2 改造后的支架示意图
支架外形改造后，需进行抗震性能计算，并根据计算结果对该支架结构在多种组合工况下的强度和变形情况进行了验算。
2.载荷类别
计算中加载如下载荷：DW——重力载荷，PF——管道作用力，SL-1——运行基准地震，SL-2——安全停堆地震。校核的载荷组合如下表所示：
表2-1 载荷组合
3.校核准则
3.1整体结构校核标准
根据RCCM-H篇H3320安全三级板壳型支撑件规范，板型支撑件的计算应力要小于表3-1的许用应力值。
表3-1 板型支撑件许用应力
注：此表中的s为支撑件材料的基本许用应力。
3.2支架刚度校核标准
根据支架手册，支架的计算最小刚度必须满足下列条件，支架刚度的评定方法见表3-2。
表3-2 支架刚度评定
注：KS：计算所得支架最小刚度值；KP：管道支撑最小刚度，根据支架手册查得。
4.材料参数
依据GB/T700-2006碳素结构钢、GB 50017-2017钢结构设计规范及机械设计手册（第六版），支架的材料参数如表4-1。
表4-1 Q235B材料参数
依据RCCM Z篇以及GB 50267-97 核电厂抗震设计规范，取基本许用应力(选取1/4Su与2/3Sy中最小值)为92.5MPa。
5.有限元模型
5.1模型结构
本文使用大型通用有限元软件ANSYS Workbench进行分析计算，模型结构如图5-1所示，进行网格划分后如图5-2所示：
图5-1 燃油系统支架三维模型
图5-2 网格划分后有限元模型
5.2边界条件
螺栓采用线体单元，14个膨胀螺栓上端与各自支撑件的表面使用fixed 相连，下端使用 fix support 固定，如图5-3所示。两支柱底有固定约束，其余由模型自动设置。
图5-3 施加约束图
6.模态分析
模态分析计算获得的各阶模态频率及有效质量表6-1所示，各阶模态振型如图6-1所示：
(a) 一阶模态
(b) 二阶模态
(c) 三阶模态
(d) 四阶模态
(e) 五阶模态
(f) 六阶模态
图6-1燃油系统支架前六阶模态
表6-1 燃油系统支架模态频率和有效质量
本文分析了前20阶模态，表6-1只显示了支架的前10阶频率。通过前20阶模态计算，x方向有效质量达到了81.39%，y方向有效质量达到了70.08%，z方向的有效质量达到了83.21%。等效质量没有达到90%以上，因此添加零周期加速度的1.5倍进行计算。
7.抗震分析
7.1载荷
DW：重力载荷，重力加速度g取为9.8mm/s2。
PF：管道作用力。
管道对支架的作用力见表7-1，分别施加在对应的受力面上，施加的力如图7-1所示。
表7-1 管道作用力
注：1) 此表摘自《应急柴油机厂房燃油系统支架力学分析报告》；
2) 由于其它支架的受力较小，对支架的整体刚度影响小，本文不予考虑。
图7-1 管道作用力方向
7.2地震载荷
由于该设备机构较复杂，故采用动力分析方法。本文采用反应谱法进行分析。使用SRSS方法进行振型叠加。
根据柴油机厂房楼层反应谱，依据支架设备所在的+0.5m标高各向楼层，选取能够包络厂房A列与B列楼层反应谱的包络谱用于抗震计算。SL-1阻尼比选择2%，SL-2阻尼比选择3%，反应谱和包络谱如图7-1、图7-2所示。
图7-2 +0.500m标高X、Y、Z向楼层反应谱(SL-1)
图7-3 +0.500m标高X、Y、Z向楼层反应谱(SL-2)
楼面反应谱施加方向如下图所示：
图7-3 楼面反应谱施加方向
7.3应力线性化路径选择
在ANSYS Workbench分析时，通过设置路径来确定典型的评定截面。通过应力线性化，提取薄膜应力和弯曲应力进行安全性评价。典型评定截面应为由机械载荷在结构不连续部位产生的、有较高应力强度的截面。本文应力线性化路径选择在每个待校核部件的等效应力最大位置处，不考虑应力集中的影响，选取应力最大处进行应力线性化进行分析。
7.4计算结果
支架O级载荷下计算结果如下表：
表7-2 支架O级载荷
支架O级载荷的刚度评定结果如表7-3。
表7-3 支架刚度评定
支架O级载荷下计算结果如下表：
表7-4 支架C级载荷
支架C级载荷的刚度评定结果如表7-5。
表7-5 支架刚度评定
8.地脚螺栓校核
8.1地脚螺栓编号
对螺栓进行应力校核前，首先对螺栓进行编号，编号结果如图8-1所示。螺栓校核仅在C级载荷情况下进行，若螺栓应力满足要求，则在O级载荷情况下，螺栓受力均满足要求。
图8-1 地脚螺栓编号(喜利得膨胀螺栓)
8.2地脚螺栓校核
剪力许用值：
FCmax=VRk×F1×F2×F3×F4×F5×F6×F7×F8×F9=26.28KN
在C级载荷情况下，得到地脚螺栓受力情况如表8-1所示。
表8-1 地脚螺栓受力数据表
注：FT为轴向力，FC为切向力
拉力校核依据下式得：
故拉剪复合受力下锚栓的承载力符合要求。
9.支架最高点的位移值
计算出C级载荷下D301.020支架最高点的X、Y、Z最大位移值分别如表9-1所示。
表9-1 C级载荷下D301.020支架最大位移值
10.结论
根据校核结果，改造后燃油系统D301.020支架满足抗震要求。喜得利HSL-3 M24地脚膨胀螺栓应力和混凝土椎体强度满足JGJ145-2013《混凝土结构后锚固技术规程》相关要求。C级载荷下D301.020支架最高点的X、Y、Z最大位移值分别为0.34096mm、-0.11368mm、0.34059mm。砇
参考文献
[1] GB 50017-2017钢结构设计规范．
[2]GB 50267-97 核电厂抗震设计规范．
[3]RCC M-2007 压水堆核电厂核岛机械设备设计规范．
[4]GB/T700-2006碳素结构钢．
[5]JGJ145-2013 混凝土结构后锚固技术规程．
[6]秦大同，谢里阳等．现代机械设计手册．化学工业出版社，2011．
作者简介
余泽辉（1991—），男，江西上饶人，本科，工程师，从事核电厂机械设备管理工作。