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1分析模型創建

根據饋線在裝置中所處位置不同，每個饋線又被分成三大部分，即:內饋線、過渡饋線彎盒以及終端盒(CTB)。其中內饋線部分位于杜瓦內部;過渡饋線及S彎盒，穿過杜瓦，連接內饋線和終端盒;終端盒則用于接低溫系統、電源系統及控制系統。饋線結構復雜，部件眾多，在創建饋線有限元分析模型時，需要根據饋線部件不同的結構特點，分別采用不同的有限元單元創建。對于饋線中的殼體類零部件，如終端盒殼體、S彎盒殼體、外保護管，Ring環殼體、冷屏等薄殼類部件，統一采用殼單元模擬，并通過殼單元的實常數來控制不同殼體的厚度;饋線中的超導母線，為多截面(其橫截面由內到外依次為超導體、不銹鋼鎧體及絕緣體三部分)細長實體，采用梁單元(188單元)進行模擬，超導母線的多截面特點則是通過設置不同的梁單元截面參數來模擬;饋線中Ring環支撐采用T形鋼結構，可同樣采用梁單元模擬，并通過梁單元的截面參數來控制其外形尺寸及形狀。在分析中采用梁單元模擬的結構還包括超導母線支撐及冷卻管支撐，考慮到這些支撐的剛度遠大于超導母線以及冷卻管本身，因此在分析中，我們對母線及冷卻管支撐采用剛性梁代替(設置較大剛度)。內饋線與過渡饋線連接處的鉸鏈結構則通過44梁單元模擬，并通過釋放44單元的旋轉自由度來實現鉸鏈的轉動功能。而饋線中的各類低溫冷卻管道則可直接用管單元模擬，同時通過設置管單元實常數來控制冷卻管的尺寸特征。分析模型中各類控制閥則以集中質量形式，通過Mass21單元施加在對應位置的節點上以模擬其質量。饋線地震分析有限元模型創建的最大難點在于母線及管道支撐間隙的模擬。當前關于核壓力管道地震的相關分析中，通常忽略管道與支撐的間隙，并按照固定約束處理，但考慮支撐間隙客觀存在，尤其對于饋線結構的S彎處，采用夾板式支撐，可運動空間較大，如果忽略支撐間隙，勢必會對分析結果產生較大影響。因此，對于支撐間隙我們采用了帶間隙的彈簧單元模擬，彈簧單元一個節點在母線(或冷卻管)上，另一個節點(兩節點重合)在支撐上，并通過支撐連接到隔板等部件上。由于每個單元只能對一個運動方向進行限制，因此對于母線及冷卻管的每個卡箍型支撐，需要設置單元，對于S彎處的夾板型支撐，根據部位的不同，分別需要設置兩個(限制左、右運動)或3個(支撐頂部或底部，限制3個方向運動)單元。最終創建的有限元分析模型所示。

2地震分析

饋線在地震載荷作用下，其變形及內力與饋線的自衛時間和振型有關，因此，模態分析是對饋線進行地震分析的基礎。利用ANSYS模態分析的子空間迭代法對模型進行分析。獲取的模型前10階頻率所示，其中1、9階振型主要表現為S彎處管道右側側向擺動，2、4、6階振型主要表現為饋線左右側向擺動，并發生明顯扭轉，3、7、10階振型主要表現為扭轉，5、8階振型主要表現為橫向擺動。地震頻譜分析模態分析完畢后，采用譜分析法對饋線進行地震分析。譜分析是模態分析的擴展，用于計算結構對地震及其它隨機激勵的響應。由于反應譜理論計算簡單、概念合理，所以目前很多國家都采用這一理論進行地震計算。分析中采用歐米伽建造地法國卡達拉奇地震載荷譜，按兩個相互垂直的水平方向和一個豎直方向施加，其中豎直方向加速度峰值取水平向加速度峰值的2/3。最后通過SRSS法(最大反應值的平方和的平方根法)進行模態疊加組合，以獲取饋線的地震響應應力及位移情況。分析結果分析結果表明地震引起的附加應力較小，對于終端盒、S彎盒、外保護管，Ring環殼體等較厚的殼體部件，最大地震響應應力(一次總體薄膜應力強度)小于4MPa，最大一次薄膜應力強度加一次彎曲應力強度值小于5MPa;對于冷屏這樣的較薄殼體部件，其最大地震響應應力約為15MPa，最大一次薄膜應力強度加一次彎曲應力強度值小于11MPa;受地震載荷作用影響最大的是S彎處超導母線及冷卻管，此處最大地震響應應力約為38MPa左右，最大一次薄膜應力強度加一次彎曲應力強度值約為40MPa。根據饋線設計準則，要求一次總體薄膜應力強度小于2/3倍的材料屈服強度(即:許用應力為2/3倍的材料屈服強度)，同時要求一次薄膜應力強度加一次彎曲應力強度值小于1．5倍的材料許用應力。上述地震分析結果均遠遠小于此設計標準，同時檢查饋線變形情況，部件之間未發生干涉，即:現有饋線結構設計可滿足地震要求。不考慮間隙的計算結果將分析模型中Combin40單元的間隙值設置為0，重新分析，模擬并獲取不考慮間隙時饋線各主要部件的地震響應情況。分析結果表明，對于終端盒、S彎盒、外保護管，Ring環以及冷屏等殼體組件，間隙值對分析結果基本沒有太大的影響(1%以內)，但對于超導母線及冷卻管這些管道部件，間隙對應力大小及應力分布均產生較大影響，特別是對于S彎處，其最大應力由考慮間隙時的約38MPa降至約10MPa，即S彎處最大應力在不考慮間隙時約為考慮間隙時的25%左右，且最大應力位置發生改變;對于過渡饋線及Ring環處的管道(采用卡箍型支撐)，其最大應力也只為考慮支撐時最大應力的80～90%左右。即支撐間隙對管道類部件有較大影響，在進行地震分析時，應該充分考慮間隙存在對管道類部件分析結果的影響。

作者：張遠斌宋云濤單位：合肥學院機械系