01 研究背景

核電站中不同建筑內(nèi)都有高架起重機，用于起吊和搬運重物。它們在地震后必須保持機動性，并且需要避免倒塌損壞附近的設(shè)備。因此主要的起重系統(tǒng)保護被認為是安全和利益保障的重要因素，也是核電廠建筑物地震分析中的重要內(nèi)容。

核島事故發(fā)生后，法國啟動了核電廠地震相關(guān)的重新評估，新的地震譜 SND被用于核電站系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和組件的驗證以及尺寸的確定。SND可由兩種方式定義：

• 1.5倍核電站增強安全地震譜的包絡(luò)。

• 以概率方式定義的被研究站點的地震譜包絡(luò)，基準(zhǔn)為20000年一遇的地震級別。

此研究旨在確認橋式起重機在SND級別地震下的行為是合理的。

02 主要問題

當(dāng)前，相關(guān)計算通過頻譜模態(tài)分析定時進行，在分析過程中使用的假設(shè)忽略了與摩擦和剛體運動有關(guān)的耗散，這導(dǎo)致了很大的保守性：施加在各種結(jié)構(gòu)上的載荷被高估，并且基于此提出了復(fù)雜而且成本極高的加固解決方案。對于某些起重機，也基于物理基礎(chǔ)進行了非線性計算，但是一方面大量使用這一類計算會導(dǎo)致浪費計算時間；另一方面，剛體模態(tài)的出現(xiàn)導(dǎo)致使用了正比于剛度的瑞利阻尼，進而導(dǎo)致對低頻模態(tài)的衰減非常弱。

為了改進這些對特定起重機的研究，開發(fā)了一種使用通用結(jié)構(gòu)仿真軟件進行動力學(xué)非線性瞬態(tài)計算的方法。這種方法考慮了滾輪在軌道上的摩擦、滾動和抬起，也考慮了內(nèi)力限制系統(tǒng)的局部可塑性。該方法的非線性計算在由起重機特征模態(tài)組成的模態(tài)基礎(chǔ)上進行，并增加了與結(jié)構(gòu)間接觸相關(guān)的靜力學(xué)模態(tài)。這增強了滾輪滾動的作用，同時極大地減小了傳遞到橋和托架的應(yīng)力以及橋的變形。

03 振動臺實驗

2016年，法國原子能和替代能源委員會（CEA）、法國核安全與輻射防護研究院（IRSN）和法國電力公司（EDF）在振動臺上進行了相關(guān)測試，以研究橋式起重機的抗震性能。這些測試使用1/5比例的橋式起重機模型，其靈感來自菲尼克斯核電廠地裝卸起重器（每22米100噸）。該模型包括橋體及其支架，還包括供橋體在其上移動的運行梁。該模型不僅復(fù)現(xiàn)了核電廠中高架起重機的幾何特性，也復(fù)現(xiàn)了材料和接觸點的特征。該模型被安放在CEA位于Saclay的三軸振動臺上，以施加相應(yīng)的地震激勵。

實驗過程中測量模型上各個點的加速度，以及橋體和支架上的局部運動。這些測量結(jié)果輔以立體視覺測量值，這些測量值記錄了模型上不同位置的三維位移。最后，在橋體滑動軌道和振動臺間插入六軸力傳感器，以記錄在橋體及其支撐結(jié)構(gòu)之間界面處的力。

在施加動態(tài)應(yīng)力之前，進行了不同的特征測試以明確模型中各元素的行為，及模型整體的行為。這些特征測試基于白噪聲及力錘激勵完成。

接著，不同的動力學(xué)載荷被施加在振動臺上：

• 首先施加基本荷載，振動臺快速單向移動。這些測試在短時間內(nèi)突出顯示摩擦力的作用，據(jù)此可以重新調(diào)整接觸點的參數(shù)設(shè)置。

• 接著將雙軸、三軸的地震信號施加在振動臺上。這些信號為柏崎刈羽核電站在2007年7月的越?jīng)_地震中記錄，它們記錄的是汽輪機廠房在地震中的主要碰撞。實驗過程中調(diào)整了加速度計以考慮響應(yīng)譜比例因子，也為了使主頻率與模型的頻率相接近。

04 新型計算方法驗證

這些實驗測試的數(shù)值模擬通過通用結(jié)構(gòu)仿真軟件完成：首先進行實驗?zāi)Ｐ偷慕⒁约熬W(wǎng)格劃分，接著對數(shù)字模型進行調(diào)整，使得數(shù)字模型的動力學(xué)行為與實驗?zāi)Ｐ徒咏?/p>

仿真結(jié)果表明：仿真和實驗測試中橋體和支架的最大位移有著良好的對應(yīng)關(guān)系。但依然無法確定地震后各單元的最終位置，只能比較最大位移。但是，盡管忽略了某些參數(shù)（例如接觸剛度），但仿真結(jié)果中的沖擊的能量回復(fù)系數(shù)，支架的加速度以及界面處的作用力均能與實驗值相對應(yīng)。

格物云CAE

一款國產(chǎn)可控云端仿真平臺，結(jié)構(gòu)、流體、水動力仿真軟件場景化模塊化，支持多格式網(wǎng)格導(dǎo)入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行計算，降低CAE使用門檻，拓展CAE應(yīng)用范圍，加速工業(yè)企業(yè)研發(fā)制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型。平臺支持云端CAE仿真生成工業(yè)APP，構(gòu)建完全交互式仿真社區(qū)，快速實現(xiàn)行業(yè)通用經(jīng)驗軟件化。

一鍵登錄，開啟仿真！

https://cae365.yuansuan.com

更多資訊可登錄格物CAE官方網(wǎng)站

https://cae.yuansuan.cn/

遠算科技在bilibili、頭條、知乎、技術(shù)鄰定期發(fā)布課程視頻等內(nèi)容

敬請關(guān)注