PIPESTRESS软件在主蒸汽管道抗震分析中的应用

在核电站设计中,地震是需要考虑的基准载荷,需要评估地震载荷产生的动态响应,以确保核电站物项(系统、结构及部件)的完整性。目前,国内外抗震设计的计算机仿真软件门类众多,功能各有侧重,但对地震载荷的计算方法主要有静力法、反应谱分析法和时程分析法。以管道有限元计算软件PIPESTRESS为工具,研究PIPESTRESS软件动力分析方法的理论公式;介绍反应谱分析法、通用响应分析法及真时程分析法3种分析方法的特点;总结3种分析方法的实现命令流和求解设置。以某核电站主蒸汽管道为例,对地震响应分别采用反应谱分析法、通用响应分析法及真时程分析法进行计算,并将计算结果进行对比分析,分析3种方法的保守性,为管道抗震计算方法的选取提供参考。     

冗余驱动并联摇摆台的动平台刚度分析

针对并联摇摆台的支撑特点,采用节点载荷分配系数的方法将动平台的交叉梁系拆分为简支梁,根据同一节点处变形量相等的条件,建立关于各节点载荷分配系数的方程,进而计算出交叉梁系的最大变形量。分别计算交叉梁系在非冗余和冗余驱动时的最大变形量,并采用有限元的方法对其进行验证,表明节点载荷分配系数法计算交叉梁系的变形量是合理的。当机构存在驱动误差时,动平台可以通过自身刚度的变化减小由于误差而产生的系统内力。     

雨流计数法在PIPESTRESS软件中的实现方法

雨流计数法是工程上用于疲劳设计和疲劳评估常用的一种方法。以雨流计数法的基本原理和计数规则为基础,并以某核电站核辅助管道为例,通过专用管道力学分析软件PIPESTRESS确定管道在温度载荷、压力载荷及机械载荷等作用下各瞬态工况应力变化幅值,说明雨流计数法在PIPESTRESS软件中的实现方法,并结合材料S-N曲线进行疲劳累积使用系数的计算,从而进行疲劳寿命的评估。     

浮动堆设备闸门瞬态热固耦合数值模拟研究

浮动堆设备闸门与陆上核电站不同,其不仅需要承受海洋环境引起的冲击、纵横摇摆载荷,而且LOCA事故下安全壳内温度和压力相应引起的载荷变化将更加剧烈,设备闸门由于外部复杂环境和内部瞬时传热使结构应力与应变的不均匀分布而导致结构破坏。因此,需形成浮动堆环境条件下设备闸门的安全评估方法。讨论有限元方法计算结构耦合热应力的基本原理,阐述瞬态温度场问题的求解方程与结构耦合热应力的求解思想,在此基础上结合浮动堆摇摆、冲击、自重等载荷,开展浮动堆设备闸门瞬态温度场和耦合热应力的有限元实施与分析,求解设备闸门瞬态温度及耦合热应力。研究设备闸门各部件的应力分布和密封面位移变化,可以全面地评估海洋环境下浮动堆设备闸门结构安全及密封安全。本研究采用的数值模拟方法能够用于浮动堆设备闸门的研究及分析工作。     

海上浮动核电站检修临时起重支架计算

在完成针对于海上浮动核电站临时起重支架的结构设计基础上,进一步对支架在倾斜条件下的设计性能进行了理论计算及数值仿真分析。将支架结构简化为支撑梁结构,根据材料力学知识,对支架的弯曲正应力、切应力等力学参数进行了计算,借助有限元仿真软件,对10 000 N载荷作用下倾斜状态下的主要结构的主要性能进行了仿真分析,给出了相关计算的具体参数。通过计算分析,验证了倾斜状态下的理论安全使用范围及条件,完善了设计结果输出,为后期研究提供一定的参考。     

FBG式隔水管应变传感器的力学响应特性分析

针对深海隔水管应力监测所设计的光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器系统,采用基于有限元方法的软件对传感器在不同载荷模式下的力学响应特性进行了分析,得到了该传感器的应变传递系数。并以仿真结果为依据,对隔水管所受最大应力和弯矩的公式进行了修正。为了获得合适的传感器应变传递系数,通过改变相应参数建立计算了不同的仿真模型,由此分析了弹性元件和固定钢管的弹性模量、长度和外径对它的影响。结果表明:弹性元件长度为调节传感器应变传递系数的最佳参数。     

应用有限元技术进行气动与结构联动设计的方法研究——基于ANSYS的某导弹弹翼柔度系数矩阵计算

采用有限元技术,应用ANSYS仿真软件分析复合材料结构弹翼在单位载荷矩阵作用下的结构响应,通过建立计算模型,施加边界条件及多步载荷并进行求解,得到复材弹翼结构的位移情况,提取计算模型的节点位移值形成弹翼的柔度系数矩阵,该种计算方法能够充分考虑到复合材料结构特性为气动吹风试验设计与气动外形研究提供可靠的结构数据。实现了气动与结构的联动设计同步更新。     

基于PIPESTRESS的核一级辅助管道疲劳分析方法研究

为防止管道失效,RCC-M规范规定除应考虑自重、压力等载荷变化导致的应力变化外,核一级辅助管道必须考虑热膨胀和热弯曲应力变化对疲劳累积使用系数的影响。重点研究基于PIPESTRESS的核一级辅助管道疲劳分析的基本方法,并以某电站核一级辅助管道为例,通过专用管道力学分析软件PIPESTRESS确定管道在温度载荷(热膨胀、温度梯度和锚固点热位移)、压力载荷和机械载荷等交变载荷作用下各瞬态工况应力变化幅值,采用雨流计数法计算疲劳累积使用系数进行疲劳分析和评定。     

粘滞阻尼器在蒸汽发生器振动响应中的应用与研究

我国是一个多震国家,核电站关键设备如蒸汽发生器、蒸汽管道等都需要采用主动或者被动控制方式进行减振,以防止在地震灾害中受到破坏。为了提高蒸汽发生器在地震载荷作用下的振动性能,必须对比安装与未安装阻尼器的蒸汽发生器在相同地震载荷下的响应参数,根据对响应的安全校核,验证阻尼器的减振效果是否达到要求。然后根据最优设计理论,计算出最佳阻尼器安装方式,使得蒸汽发生器在给定条件下变形位移最小。分析结果表明,通过优化阻尼器参数和安装位置,能够明显提高蒸汽发生器减振的效果。     

插盘式升降支撑系统节点的半刚性特性研究

由于插盘式升降支撑系统的节点构件构造的复杂性,在刚性连接框架结构的基础,考虑侧向位移和节点的半刚性特性,分析转角偏离对节点承受弯矩与转角的函数关系,求解半刚性节点单元刚度矩阵。对节点构件在竖向载荷、横向载荷和弯矩作用下插销的受力特性进行分析。通过有限元法分析插盘式升降支撑系统的节点构件竖向承载力,并试验节点构件相应的力学性能。     

Damage prevention design of the branch pipe under pressure pulsation transmitted from main steam header

Vibration has severely increased at the branch pipe of the main steam header since the beginning of commercial operation of nuclear power plants. Intense broadband disturbance flow at a discontinuous region such as elbows, valves or headers generates an acoustical pulsation which is propagated through the piping system. The pulsation becomes the source of low frequency vibration at the piping system. If it coincides with the natural frequency of the pipe system, excessive vibration results. High-level vibration due to the pressure pulsation related to high dynamic stress, and ultimately, to failure probability fatally affects the reliability and confidence of the plant piping system. This paper discusses steady-state high vibrations appearing in the branch piping system due to the effect of acoustical pulsations transmitted from the large main steam header by broadband turbulence in a 700 MW power plant. The excitation sources and response of the piping system are investigated by using on-site measurements and analytical approaches. Energy absorbing restraints with additional stiffness and damping factor were designed and installed to reduce vibration damage.     

Experimental validation of non-contacting measurement method using LED-optical displacement sensors for vibration stress of small-bore piping

There have been many reports of fatigue failures of small-bore piping systems such as drain piping, vent piping and instrumentation piping in nuclear power plants that arise from vibration sources such as pumps. To prevent the failures, integrity evaluation of piping is conducted by measuring and analyzing vibration stress in the piping. But, a more efficient and economical measurement method is desirable to evaluate the vibration fatigue in small-bore piping. In this study, a non-contacting measurement method was proposed that is based on optical displacement sensors using light emission diodes (LEDs) to measure the vibration stress. The applicability of the method was discussed based on the vibration experiments using pipe elements and a mock-up piping system. From the experimental results, the proposed method was clarified to be sufficiently applicable and practically useful for the vibration measurement and stress evaluation in small-bore piping systems.     

内压及扭矩载荷下无缺陷弯管的塑性极限载荷

弯管在管线中通常是承受应力较大的元件，极限载荷相应较低。为充分发挥结构的塑性极限承载能力，对弯管的塑性极限载荷进行理论分析，利用von Mises屈服准则，推导出内压和扭矩联合载荷作用下等厚弯管、非均匀壁厚椭圆弯管的塑性极限压力。实验验证了理论分析的正确性。     

核安全级波纹膨胀节的设计

核电站核岛用膨胀节具有要求高、责任重大的特点。以台山EPR核反应堆安全壳贯穿件膨胀节为例,对地震荷载下核岛管道用波纹膨胀节的设计进行了阐述,以供同行借鉴。     

功率二分支齿轮传动系统动载特性与模态分析

为了分析功率二分支齿轮传动系统的动力学特性,构建由斜齿分扭传动级与人字齿并车传动级构成的分扭 并车纯扭转动力学模型;通过高斯消元去除状态方程中的冗余变量,解决了系统动力学方程的奇异性并采用 4 阶 Runge-Kutta 法数值求解;分析了无量纲时间下不同齿型构成的 2 级传动动载特性,采用模态分析法,确定该系统的固有频率与固有振型,并结合三维瀑布图分析激振频率对系统共振特性的影响。研究结果表明:该齿轮传动系统由人字齿构成的并车传动级动力学特性优于由斜齿构成的分扭传动级;系统啮合位移与动态啮合力响应瀑布图表明,在该系统激振频率为 1820 Hz 时,系统出现超谐波共振。     

管道系统振动声辐射的数值计算方法

基于管道振动的模态分析及谐响应分析，计算管道的声辐射效率，建立结构体振动与其辐射噪声之间的关系。文中首先建立管道的圆柱壳模型，进行管道结构动力学分析，采用有限元方法获得结构表面振动速度；然后根据结构声辐射理论，并且采用边界元法离散积分方程，通过建立管道的声场模型，得到管道结构在谐波激励下的声辐射效率，为降低噪声提供理论依据。计算结果表明，本文所建立的振动和声辐射模型及算法是有效的。     

Enhancement of J estimation for typical nuclear pipes with a circumferential surface crack under tensile load

This paper is to report enhancement of engineering J estimation for semi-elliptical surface cracks under tensile load. Firstly, limitation of the sole solution suggested by Zahoor is shown for reliable structural integrity assessment of thin-walled nuclear pipes. An improved solution is then developed based on extensive 3D FE analyses employing deformation plasticity theory for typical nuclear piping materials. It takes over the structure of the existing solution but provides new tabulated plastic influence functions to cover a wide range of pipe geometry and crack shape. Furthermore, to facilitate easy prediction of the plastic influence function, an alternative simple equation is also developed by using a statistical response surface method. The proposed H ₁ values can be used for elastic-plastic fracture analyses of thin-walled pipes with a circumferential surface crack subjected to tensile loading.     

冲击气流作用下放空管道流固耦合动力学分析

为了解决某装气站放空管线排气放空时引起的管路振动问题,建立流固耦合三维动力有限元模型,采用瞬态时间历程分析方法对放空管道进行冲击气流下管道动力响应仿真分析。其中管道内流体分别选择氮气和液化气,建立现有管道流固耦合三维动力有限元模型;进行2种流体介质下管道结构动力响应对比。通过研究管道在冲击气流作用下的振动机理和振动特性,从管道结构入手提出了该放空管道振动控制的措施,给出了减振方案。建立减振方案中管道的流固耦合动力有限元模型,进行仿真分析并与原方案计算结果进行了对比,发现管道系统的振动得到大幅度的降低,验证了所提出的减振方案可以对管道振动进行合理有效的控制,确保了管道振动幅度在安全裕度内。     

核级恒力弹簧吊架回转臂的应力分析

恒力弹簧吊架是核电站管道支撑及悬吊主要设备.由于核电站项目的特殊性,恒力弹簧吊架零部件的应力分析与强度计算是设计过程中必不可少的环节,是恒力弹簧吊架正常稳定工作的保证.这里对三连杆恒力弹簧吊架进行力学分析,得到弹簧力与回转臂转角的关系曲线.应用三维造型软件建立了回转臂的实体几何模型,给出了回转臂模型简化方法.利用有限元方法对回转臂进行应力分析,得到回转臂不同转角下应力分布规律.分析结果表明本设计满足核级电站产品的设计要求.     

Dynamic analysis and design of uncertain systems against random excitation using probabilistic method

In this paper, a method to obtain the sensitivity of eigenvalues and the random responses of the structure with uncertain parameters is proposed. The concept of the proposed method is that the perturbed equation of each uncertain substructure is obtained using the finite element method, and the perturbed equation of the overall structure is obtained using the mode synthesis method. By this way, the reduced order perturbed equation of the uncertain system can be obtained. And the response of the uncertain system is obtained using probability method. As a numerical example, a simple piping system is considered as an example structure. The damping and spring constants of the support are considered as the uncertain parameters. Then the variations of the eigenvalues, the correlation function and the power spectral density function of the responses are calculated. As a result, the proposed method is considered to be useful technique to analyze the sensitivities of eigenvalues and random response against random excitation in terms of the accuracy and the calculation time.