浮動(dòng)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組基座抗沖擊分析

唐征明，劉現(xiàn)星，孫海軍，張 靖，劉 磊

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

浮動(dòng)核電站是船舶海洋工程和核能工程的有機(jī)結(jié)合體，其可在海洋資源開發(fā)、島礁能源建設(shè)等過程中提供電力、淡水等資源保障。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為核安全級(jí)設(shè)備，對(duì)浮動(dòng)核電站反應(yīng)堆的安全起著很重要的作用。由于海洋環(huán)境條件復(fù)雜，浮動(dòng)電站上設(shè)備基座承受各種靜、動(dòng)態(tài)載荷，如設(shè)備的自重及持續(xù)外部機(jī)械載荷，風(fēng)浪流引起的船體傾斜及搖擺，水下非接觸爆炸對(duì)基座的沖擊載荷等[1]，其中沖擊載荷對(duì)基座結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞作用尤其明顯。因此，為提高設(shè)備的抗沖擊性能，基座的抗沖擊性能受到高度關(guān)注。吳廣明等[2]采用時(shí)間歷程法分析了基座面板及縱向腹板厚度對(duì)基座抗沖擊能力的影響。馮維等[3]利用Ansys軟件研究了用于艦船基座抗沖擊計(jì)算方法。

基于上述研究，本文采用Ansys軟件建立應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組有限元模型，并根據(jù)德國軍標(biāo)BV/0430沖擊安全性[4]中規(guī)定的沖擊譜和時(shí)間歷程分析法對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組基座進(jìn)行抗沖擊計(jì)算。

1 抗沖擊分析方法

目前用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗沖擊計(jì)算方法主要有靜G法、譜分析法和時(shí)間歷程法。靜G法是將動(dòng)載荷等效為一定倍數(shù)的重力加速度載荷，并用靜態(tài)方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1.1 譜分析法

譜分析法是將設(shè)計(jì)沖擊譜作為系統(tǒng)的沖擊輸入，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行合成，從而求得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)。根據(jù)給定的設(shè)計(jì)沖擊譜、計(jì)算的參與因子、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)振型和節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，即可得出設(shè)備上每階模態(tài)的等效靜載荷列向量，采用靜力方法計(jì)算應(yīng)力和變形，通過對(duì)各階模態(tài)解的合成可以得出設(shè)備上的應(yīng)力分布和變形?？箾_擊計(jì)算常用的譜分析法有2種：BV/0430沖擊安全性中規(guī)定的沖擊譜和DDAM中使用的沖擊譜[3]。本文采用BV/0430中的沖擊譜進(jìn)行譜分析，使用平方和開根號(hào)（SRSS）的模態(tài)合成方法。

BV/0430中規(guī)定的沖擊譜為三折線譜，低頻下沖擊譜認(rèn)為是等位移譜，中頻沖擊譜認(rèn)為是等速度譜，高頻下沖擊譜認(rèn)為是等加速度譜。常采用四維坐標(biāo)描述沖擊譜，其中以速度譜作為縱坐標(biāo)，頻率作為橫坐標(biāo)，與橫坐標(biāo)成+45°的坐標(biāo)系表示位移譜值，與橫坐標(biāo)成-45°的坐標(biāo)系表示加速度譜值[5]。

當(dāng)設(shè)備重量大于5 t時(shí)，沖擊響應(yīng)值表示為[4]：

由式（1）計(jì)算得到浮動(dòng)核電站柴油發(fā)電機(jī)組基座的垂向設(shè)計(jì)沖擊譜如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)沖擊譜（垂向）Fig.1 Design shock spectrum (vertical)

1.2 時(shí)間歷程法

時(shí)間歷程法是規(guī)定系統(tǒng)承受某一沖擊的時(shí)間信號(hào)，將其作為沖擊輸入，以計(jì)算系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，該時(shí)間信號(hào)由壓力、速度或加速度作為時(shí)間函數(shù)所定義。

根據(jù)BV/0430中的規(guī)定，對(duì)于機(jī)械沖擊載荷，只要未規(guī)定其他的輸入激勵(lì)時(shí)間歷程，就可用三角形變化歷程進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。轉(zhuǎn)換關(guān)系表示為：

根據(jù)式（2）對(duì)沖擊譜進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到加速度時(shí)間歷程曲線。為方便在機(jī)組模型上施加沖擊激勵(lì)，對(duì)加速度波形曲線進(jìn)行2次時(shí)間積分，分別得到?jīng)_擊速度和沖擊位移時(shí)間歷程曲線，如圖2所示。進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，通過對(duì)機(jī)組下方減振器施加位移載荷，模擬環(huán)境（機(jī)組下方基礎(chǔ)）的沖擊作用。

2 基座抗沖擊計(jì)算

基于有限元方法，分別采用Spectrum譜分析法和Transient瞬態(tài)分析法對(duì)基座進(jìn)行抗沖擊計(jì)算。當(dāng)進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析時(shí)，質(zhì)量阻尼系數(shù)alpha=0.51，剛度阻尼系數(shù)beta=0.0001。

2.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及有限元模型

某應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組中柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)采用一體化基座進(jìn)行彈性安裝，如圖3所示，柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)采用彈性聯(lián)軸器連接，柴油機(jī)通過隔振器固定在基座上，發(fā)電機(jī)通過高強(qiáng)度螺栓固定在基座上，整個(gè)基座通過減震器安裝在船體結(jié)構(gòu)上。根據(jù)機(jī)組的重心、重量分布特點(diǎn)，基座左右兩側(cè)各設(shè)置有10組相同剛度、阻尼的減振器，柴油機(jī)左右兩側(cè)各設(shè)置4組隔振器。減振器、隔振器、聯(lián)軸器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1和表2所示。其中減振器和隔振器的垂向具有非線性特征，減振器彈性特征如圖4所示，隔振器彈性特征如圖5所示。

圖3 柴油發(fā)電機(jī)組安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of the gen-set

表1 減振器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of the buffer

表2 聯(lián)軸器技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of the coupling

基座為箱型結(jié)構(gòu)，為保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)上設(shè)置有加強(qiáng)筋板，材料為Q345。圖6為柴油發(fā)電機(jī)組有限元模型，其中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸方向?yàn)榭v向（模型中x向）；豎直方向?yàn)榇瓜颍Ｐ椭衵向）；橫向（模型中y向）通過右手定則確定。由于發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)的剛度遠(yuǎn)大于基座，發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)采用剛體模擬，建立質(zhì)量單元MASS21，賦予重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量屬性；基座為板殼式結(jié)構(gòu)，采用SHELL63殼單元模擬；減振器、隔振器、聯(lián)軸器均屬于彈性元件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在Ansys中沒有對(duì)應(yīng)的單元。單個(gè)減振器、隔振器簡化成垂向非線性彈簧阻尼器和2個(gè)水平方向（橫向和縱向）的線彈性彈簧阻尼器，聯(lián)軸器簡化成具有橫向、縱向、垂向拉壓剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的線彈性彈簧阻尼器，線性彈簧阻尼器采用COMBIN14單元模擬，非線性彈簧阻尼器采用COMBIN39單元模擬。因此，每個(gè)減振器和隔振器均包含2個(gè)COMBIN14單元和1個(gè)COMBIN39單元，每個(gè)聯(lián)軸器包含6個(gè)COMBIN40單元。連接螺栓采用BEAM189單元模擬，模型共有132 459個(gè)單元。

圖4 基座減振器彈性特征Fig.4 Spring characteristics of base frame buffer

圖5 柴油機(jī)隔振器彈性特征Fig.5 Spring characteristics of the gen-set buffer

圖6 柴油發(fā)電機(jī)組有限元模型Fig.6 Finite element model of the gen-set

2.2 基座剛性安裝分析結(jié)果

機(jī)組直接剛性的安裝在船體上，有利于保證安裝精度，安裝簡便易行。但是由于沖擊載荷比靜載荷大的多，沖擊載荷直接加載在基座上，使基座產(chǎn)生巨大的應(yīng)力應(yīng)變。

譜分析和瞬態(tài)分析下，基座結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力分別為 708.015 MPa 和 586.939 MPa，遠(yuǎn)大于材料許用應(yīng)力，應(yīng)力較大點(diǎn)主要位于發(fā)電機(jī)安裝機(jī)腳、箱型梁腹板上。計(jì)算結(jié)果表明，譜分析比瞬態(tài)分析下的計(jì)算結(jié)果偏保守；基座剛性安裝無法滿足抗沖擊性能要求。

2.3 基座彈性安裝分析結(jié)果

2.3.1 基座應(yīng)力結(jié)果

在柴油發(fā)電機(jī)組基座下方安裝合適剛度和數(shù)量的減振器，并采用合理的布置形式。譜分析和瞬態(tài)分析下，基座結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為 557.926 MPa和 285.612 MPa。結(jié)果表明，譜分析下應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度，瞬態(tài)分析結(jié)果小于材料屈服強(qiáng)度，應(yīng)力較大點(diǎn)主要位于柴油機(jī)安裝座基座和中間腹板上，應(yīng)力云圖如圖7和圖8所示。在設(shè)計(jì)基座時(shí)應(yīng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)處腹板、面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加厚，增強(qiáng)基座的承載能力。

圖7 譜響應(yīng)分析下基座應(yīng)力云圖Fig.7 Stress contours of base frame with spectrum response analysis

圖8 瞬態(tài)響應(yīng)分析下 58.989 ms 時(shí)基座應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contours of base frame on 58.989 ms with transient response analysis

2.3.2 減振器變形結(jié)果

沖擊作用下，應(yīng)保證各個(gè)減振器的變形偏差值較小并在工作行程內(nèi)工作?；路?0個(gè)減振器在4個(gè)時(shí)刻點(diǎn)（t2，t3，t4，t5）下變形曲線如圖9所示。可知，各個(gè)減振器沖擊下的變形、受力較為均勻，且減振器的變形一直處于工作行程內(nèi)（-25 mm/+10.0 mm），不會(huì)發(fā)生“觸底”或損壞，滿足隔振器安全工作要求。

圖9 各減振器變形曲線Fig.9 Deformation curve of 1th-20th buffers on 4 time points

2.4 減振器剛度對(duì)抗沖擊性能影響

為了分析減振器剛度對(duì)基座抗沖擊強(qiáng)度的影響，分別對(duì)減振器取不同剛度進(jìn)行對(duì)比分析。在相同的沖擊載荷、相同的基座結(jié)構(gòu)，不同的減振器垂向剛度下，基座最大應(yīng)力值如表3所示。

表3 不同剛度減振器下基座最大應(yīng)力值Tab.3 Maximum stress value of the mounting under different stiffness buffer

計(jì)算結(jié)果表明，減振器的剛度對(duì)基座抗沖擊強(qiáng)度有較大的影響。相同條件下，減振器垂向剛度越大，則基座承受的應(yīng)力越大，剛度過小會(huì)導(dǎo)致機(jī)組在沖擊中振動(dòng)幅度過大，影響機(jī)組運(yùn)行安全。

2.5 隔沖系統(tǒng)對(duì)隔沖效率的影響

消極隔沖系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來防止周圍環(huán)境的沖擊傳到設(shè)備及其附件上。合理的隔沖系統(tǒng)能隔離絕大部分沖擊，使傳遞到設(shè)備上的加速度大幅度減小。

隔沖系統(tǒng)加速度傳遞率表示為：

本節(jié)對(duì)比柴油機(jī)單層隔振（柴油機(jī)剛性安裝在基座上）和雙層隔振（柴油機(jī)彈性安裝在基座上）下系統(tǒng)的隔沖效率。2種情形下，柴油機(jī)的加速度響應(yīng)曲線分別如圖10和圖11所示。

圖10 單層隔沖系統(tǒng)下柴油機(jī)加速度曲線Fig.10 Diesel acceleration curve under single layer shock isolation system

圖11 雙層隔沖系統(tǒng)下柴油機(jī)加速度曲線Fig.11 Diesel acceleration curve under double layer shock isolation system

分析可知，計(jì)算得到單層和雙層隔沖系統(tǒng)的隔沖效率分別為10.6%和18.3%。采用雙層隔沖系統(tǒng)，可以進(jìn)一步減小柴油機(jī)及其附件的加速度幅值，有利于柴油機(jī)的安全運(yùn)行。

3 結(jié) 語

本文采用譜分析法和時(shí)間歷程分析法對(duì)浮動(dòng)核電站某應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的基座進(jìn)行抗沖擊計(jì)算。根據(jù)分析結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）安裝減振器可以有效降低基座結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提高機(jī)組的抗沖擊性能；

2）減振器的剛度大小對(duì)基座的抗沖擊強(qiáng)度有較大影響，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合理剛度的減振器；

3）通過雙層減振，可以進(jìn)一步降柴油機(jī)及其附件的沖擊加速度，有利于柴油機(jī)的安全運(yùn)行；

4）根據(jù)BV/0430規(guī)范對(duì)基座進(jìn)行抗沖擊分析設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果可以為浮動(dòng)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、減振器選型、減振器布置設(shè)計(jì)提供一定參考。