核級閘閥基頻模態分析和試驗測定

2013-07-07 楊小軍蘭州理工大學

　　介紹了核級閘閥基頻模態分析和試驗測定意義，闡述了核級閘閥基頻模態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行試驗測定，驗證了模態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，由其自身物理特性(質量和剛度)引起的物體振動頻率稱為基頻。當地震輸入的頻率剛好使閥門裝置的慣性力與彈簧恢復力完全抵消時，閥門裝置就會產生諧振。為了保證核電閥門閥體和閥蓋頸部、中法蘭螺栓等危險部位的強度和剛度要求，必須避免產生諧振，即要求閥門的基頻大于地震頻率。因此能動閥門抗震鑒定中基頻的分析和測定是必不可少的一項內容，同時核電閥門的基頻是確定抗震鑒定時采用靜力法或動態法的基礎，因此對閥門的基頻確定就顯得非常重要。

　　ASMEQME-1和HAFJ0053均規定核電能動閥門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鑒定和結構上類似于樣機閥門的待定閥門的擴展鑒定中，試驗法是樣機閥門在第一次鑒定時采用的主要方法，并用于驗證分析法采用的數學模型的合理性或對數學模型進行修正。本文按ASMEQME-1要求，對核級閘閥的基頻進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模型，并準確地反映其動力特性(如頻率、阻尼、振型等)。通過適用和有效的計算機程序分析，其動力分析結果應與可接受的判據進行比較，并應在判據要求的范圍內。根據閥門裝置的結構特點，通常采用多質點的集中質量模型或有限元模型對閥門裝置進行模擬，并采用經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)進行模態分析。一般地震頻率小于33Hz，閥門的第1階固有頻率(基頻)必須大于33Hz，才能夠保證核電閥門的剛性要求。

2.1、模態分析基礎

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

　　式中[K]———剛度矩陣

　　[M]———質量矩陣

　　{Φi}———第i階模態的振型向量(特征向量)

　　ωi———第i階模態的固有頻率(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實際結構建立。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、尖角等進行簡化。模型采用AN-SYS程序中SOLID92實體單元進行有限元離散。考慮閥門安裝情況的相似性，將閥門的兩端法蘭采用固定邊界全約束。使用智能網格劃分工具，根據閥門模型的形狀、尺寸和設置的精度自動選擇合適的網格密度進行劃分。

　　建立核級閘閥有限元模型采用的坐標系為沿閥門流道中心線方向為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、模型的模態分析

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

表1 閥門的固有頻率

　　從模態分析可知，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行抗震計算。

3、試驗法測定閥門基頻

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

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，動態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，說明f(t)和x(t)間有良好的因果關系;當它明顯小于1時，說明信號受到干擾噪聲的“污染”，或者系統具有非線性特性。傳遞函數幅值曲線的峰值或其虛部曲線的極值[在γ2(f)接近1時]就是系統的固有頻率。

3.2、基頻測定試驗

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

　　(1)試驗前準備

　　根據閥門整機的質量、外形尺寸、地震載荷等要求選擇基頻測試振動臺的容量。振動臺能承受閥門和輔助試驗裝置的質量，臺面的尺寸應大于設備的安裝面積。振動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。由振動臺計算機系統生成符合要求的人工時程曲線，并在臺面產生模擬地震動，使設備的響應達到要求的反應加速度值。振動臺在X、Y、Z軸有6個自由度的振動方向。建議試驗用閥門端部為法蘭連接，使試驗時閥門與輔助支架便于連接。若閥門為焊接連接，在所有試驗完成后也可加工成焊接端。

　　ASMEQME-1要求將閥門裝置按正常安裝點(通常是閥體端部)剛性安裝在一個能在單一方向上提供純正弦振動的振動臺上。試驗系統(圖1)主要由壓力表、試驗軟管、試壓泵、系統閥、泄壓閥和振動試驗臺等構成。閥門和振動臺通過固定支架連接，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.振動試驗臺 8.泄壓閥

圖1 試驗系統

　　(2)閥門的固定和測點布置

　　閥門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個加速度測點。A1置于閥門電動執行機構處，A2置于閥體頂部，A3置于近閥門重心處。每一個加速度測點布置均有3個加速度計，分別對應于該測點的X、Y和Z三個方向，用來測量核級閘閥不同部位在動態特性測定試驗時的加速度反應。

　　(3)基頻測試

　　將測試閥全開啟，打開系統閥和泄壓閥，用試壓泵將試驗用水注入測試閥內，測試閥體腔充滿水后關閉系統閥和泄壓閥。分別在閥門的X、Y和Z三個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。根據各測點處三個方向的傳遞函數，分別計算出閥門自振頻率(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。

表2 閥門加速度測點處自振頻率和阻尼比