核級閘閥基頻模態(tài)分析和試驗測定

　　介紹了核級閘閥基頻模態(tài)分析和試驗測定意義，闡述了核級閘閥基頻模態(tài)分析的基本理論和分析方法，并利用ASMEQME-1要求，對核級閘閥的基頻進(jìn)行試驗測定，驗證了模態(tài)分析方法和結果的正確性。

1、概述

　　當物體在特定方向受到變形然后松開(kāi)，由其自身物理特性(質(zhì)量和剛度)引起的物體振動(dòng)頻率稱(chēng)為基頻。當地震輸入的頻率剛好使閥門(mén)裝置的慣性力與彈簧恢復力完全抵消時(shí)，閥門(mén)裝置就會(huì )產(chǎn)生諧振。為了保證核電閥門(mén)閥體和閥蓋頸部、中法蘭螺栓等危險部位的強度和剛度要求，必須避免產(chǎn)生諧振，即要求閥門(mén)的基頻大于地震頻率。因此能動(dòng)閥門(mén)抗震鑒定中基頻的分析和測定是必不可少的一項內容，同時(shí)核電閥門(mén)的基頻是確定抗震鑒定時(shí)采用靜力法或動(dòng)態(tài)法的基礎，因此對閥門(mén)的基頻確定就顯得非常重要。

　　ASMEQME-1和HAFJ0053均規定核電能動(dòng)閥門(mén)的鑒定方法有試驗法、分析法、分析與試驗相結合法等3種方法。分析法廣泛用于由樣機閥門(mén)鑒定和結構上類(lèi)似于樣機閥門(mén)的待定閥門(mén)的擴展鑒定中，試驗法是樣機閥門(mén)在第一次鑒定時(shí)采用的主要方法，并用于驗證分析法采用的數學(xué)模型的合理性或對數學(xué)模型進(jìn)行修正。本文按ASMEQME-1要求，對核級閘閥的基頻進(jìn)行理論分析計算和試驗測定。

2、分析法

　　分析法要求設備能合理地離散化為理想的數學(xué)模型，并準確地反映其動(dòng)力特性(如頻率、阻尼、振型等)。通過(guò)適用和有效的計算機程序分析，其動(dòng)力分析結果應與可接受的判據進(jìn)行比較，并應在判據要求的范圍內。根據閥門(mén)裝置的結構特點(diǎn)，通常采用多質(zhì)點(diǎn)的集中質(zhì)量模型或有限元模型對閥門(mén)裝置進(jìn)行模擬，并采用經(jīng)國家核安全局認可的國際公認的大型有限元計算程序(如ANSYS)進(jìn)行模態(tài)分析。一般地震頻率小于33Hz，閥門(mén)的第1階固有頻率(基頻)必須大于33Hz，才能夠保證核電閥門(mén)的剛性要求。

2.1、模態(tài)分析基礎

　　ANSYS的模態(tài)分析用于確定設計結構或機器部件的振動(dòng)特性，即結構的固有頻率和振型。模態(tài)分析求解的基本方程為

　　式中[K]———剛度矩陣

　　[M]———質(zhì)量矩陣

　　{Φi}———第i階模態(tài)的振型向量(特征向量)

　　ωi———第i階模態(tài)的固有頻率(ωi2是特征值)

2.2、有限元模型建立

　　有限元計算模型應能準確的按照閥門(mén)實(shí)際結構建立。由于核級閘閥結構復雜，采用CAD三維軟件建立幾何模型后，導入ANSYS生成有限元模型。并對計算結果影響較小而對計算收斂速度影響較大的部分倒角、棱角、尖角等進(jìn)行簡(jiǎn)化。模型采用AN-SYS程序中SOLID92實(shí)體單元進(jìn)行有限元離散�？紤]閥門(mén)安裝情況的相似性，將閥門(mén)的兩端法蘭采用固定邊界全約束。使用智能網(wǎng)格劃分工具，根據閥門(mén)模型的形狀、尺寸和設置的精度自動(dòng)選擇合適的網(wǎng)格密度進(jìn)行劃分。

　　建立核級閘閥有限元模型采用的坐標系為沿閥門(mén)流道中心線(xiàn)方向為X軸方向，垂直X軸的水平方向為Y軸方向，垂直于X-Y平面為Z軸方向。分析載荷為內壓、自重、地震和接管載荷等。

2.3、模型的模態(tài)分析

　　根據模態(tài)提取的最高頻率至少為分析頻率兩倍的原則，在A(yíng)NSYS程序設定頻率范圍內提取閥門(mén)分別在X、Y和Z軸向各階頻率中的最低固有頻率(表1)。

表1 閥門(mén)的固有頻率

　　從模態(tài)分析可知，所設計的核級閘閥的第一階基頻為40.123Hz，大于截斷頻率33Hz，因此閥門(mén)整體結構的剛度足夠大，認為是剛性結構，可以采用等效靜力法進(jìn)行抗震計算。

3、試驗法測定閥門(mén)基頻

　　ASMEQME-1中測定閥門(mén)基頻的試驗法要求，設備固定在可產(chǎn)生與預期自然地震相同的模擬振動(dòng)的平臺上，在對影響設備內部機能的各重要位置，或結構模態(tài)特性指示良好的位置，采用工具進(jìn)行響應測量。然后，對設備施加適當激勵，對響應進(jìn)行記錄。

3.1、基頻測定的基本原理

　　當信號f(t)和x(t)分別為某系統的輸入(激勵)和輸出(響應)信號時(shí)，動(dòng)態(tài)信號分析儀求得系統的傳遞函數為

　　式中

　　H(f)———頻響函數

　　γ2(f)———相干函數

　　Gf(f)———輸入(激勵)信號f(t)的自功率譜

　　Gx(f)———輸出(響應)信號x(t)的自功率譜

　　Gfx(f)———輸入(激勵)信號f(t)和輸出(響應)信號x(t)的互功率譜

　　相干函數的值總是在0～1之間。當它接近1時(shí)，說(shuō)明f(t)和x(t)間有良好的因果關(guān)系;當它明顯小于1時(shí)，說(shuō)明信號受到干擾噪聲的“污染”，或者系統具有非線(xiàn)性特性。傳遞函數幅值曲線(xiàn)的峰值或其虛部曲線(xiàn)的極值[在γ2(f)接近1時(shí)]就是系統的固有頻率。

3.2、基頻測定試驗

　　閥門(mén)安裝在管道上，且管道在地震響應中對閥門(mén)產(chǎn)生一定的放大作用，因此常采用正弦掃頻波作為閥門(mén)的地震輸入，進(jìn)行閥門(mén)基頻測定試驗。按ASMEQME-1QVP-7341.1規定，采用振動(dòng)臺法對核級閘閥的基頻進(jìn)行測定。

　　(1)試驗前準備

　　根據閥門(mén)整機的質(zhì)量、外形尺寸、地震載荷等要求選擇基頻測試振動(dòng)臺的容量。振動(dòng)臺能承受閥門(mén)和輔助試驗裝置的質(zhì)量，臺面的尺寸應大于設備的安裝面積。振動(dòng)臺應有足夠寬的工作頻率范圍和良好的低頻特性，其工作頻率應包括地震頻率0～33Hz范圍。由振動(dòng)臺計算機系統生成符合要求的人工時(shí)程曲線(xiàn)，并在臺面產(chǎn)生模擬地震動(dòng)，使設備的響應達到要求的反應加速度值。振動(dòng)臺在X、Y、Z軸有6個(gè)自由度的振動(dòng)方向。建議試驗用閥門(mén)端部為法蘭連接，使試驗時(shí)閥門(mén)與輔助支架便于連接。若閥門(mén)為焊接連接，在所有試驗完成后也可加工成焊接端。

　　ASMEQME-1要求將閥門(mén)裝置按正常安裝點(diǎn)(通常是閥體端部)剛性安裝在一個(gè)能在單一方向上提供純正弦振動(dòng)的振動(dòng)臺上。試驗系統(圖1)主要由壓力表、試驗軟管、試壓泵、系統閥、泄壓閥和振動(dòng)試驗臺等構成。閥門(mén)和振動(dòng)臺通過(guò)固定支架連接，連接支架應有足夠剛度，其固有頻率應大于33Hz，才不會(huì )引起設備基底輸入頻率和幅值的變化。

1.試壓泵 2、4、7.壓力表 3.系統閥 5.被測試閥 6.振動(dòng)試驗臺 8.泄壓閥

圖1 試驗系統

　　(2)閥門(mén)的固定和測點(diǎn)布置

　　閥門(mén)的固定方向為沿核級閘閥流通方向為水平X向，垂直X軸的水平方向為Y向，垂直于X-Y平面的垂直方向為Z向。共布置3個(gè)加速度測點(diǎn)。A1置于閥門(mén)電動(dòng)執行機構處，A2置于閥體頂部，A3置于近閥門(mén)重心處。每一個(gè)加速度測點(diǎn)布置均有3個(gè)加速度計，分別對應于該測點(diǎn)的X、Y和Z三個(gè)方向，用來(lái)測量核級閘閥不同部位在動(dòng)態(tài)特性測定試驗時(shí)的加速度反應。

　　(3)基頻測試

　　將測試閥全開(kāi)啟，打開(kāi)系統閥和泄壓閥，用試壓泵將試驗用水注入測試閥內，測試閥體腔充滿(mǎn)水后關(guān)閉系統閥和泄壓閥。分別在閥門(mén)的X、Y和Z三個(gè)正交方向上輸入幅值為0.2g、頻率從5～50Hz、掃描速率為1.0octave/min的正弦掃頻波，測定核級閘閥在不同方向上的頻率及阻尼比。根據各測點(diǎn)處三個(gè)方向的傳遞函數，分別計算出閥門(mén)自振頻率(表2)。由于其基頻均大于33Hz，可以判定該核級閘閥為剛性閥門(mén)。

表2 閥門(mén)加速度測點(diǎn)處自振頻率和阻尼比

4、結語(yǔ)

　　(1)從閥門(mén)的基頻采用ANSYS模態(tài)分析法計算值來(lái)看，閥門(mén)的基頻為40.123Hz，高于地震的頻率范圍0～33Hz，閥門(mén)對地震激勵無(wú)共振效應，閥門(mén)是剛性閥門(mén)。閥門(mén)在X和Y方向的頻率較低，是因為閥門(mén)電動(dòng)裝置質(zhì)量大，質(zhì)心高，在地震作用下產(chǎn)生的慣性力對閥門(mén)的影響較大。

　　(2)從閥門(mén)的基頻采用試驗測定所得到的結果來(lái)看，閥門(mén)X、Z方向的自振頻率大于50Hz，Y方向的自振頻率39.4Hz。閥門(mén)的基頻大于閥門(mén)的截斷頻率33Hz，與模態(tài)分析的結果一致。但由于閥門(mén)試驗采用的輸入頻率為5～50Hz，因此未能得出閥門(mén)在各測點(diǎn)的X、Z方向上的具體頻率值。

　　(3)核級閘閥的模態(tài)分析和試驗結果比較吻合，誤差約為1.8%。說(shuō)明閥門(mén)數學(xué)模型建立是合理的，按ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析是可行的。