專利名稱：核電用干式變壓器的抗震性能分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗震性能分析方法，特別是一種核電用干式變壓器的抗震性能分 析方法。
背景技術(shù)：
核電設(shè)備不同于一般民用工業(yè)產(chǎn)品，尤其是與核安全有關(guān)的設(shè)備，其性能好壞和 運行可靠與否直接影響到核電站運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，核電設(shè)備的設(shè)計需經(jīng)過嚴(yán) 格的設(shè)計驗證，核電設(shè)備要通過試制樣機進(jìn)行設(shè)備鑒定，設(shè)計和制造核級產(chǎn)品的設(shè)計院和 制造廠需按國家核監(jiān)管部門的要求取得設(shè)計、制造許可證，方能從事核級產(chǎn)品的設(shè)計和制 造活動。核電用干式變壓器是為其他設(shè)施提供電源的干式變壓器。而核電站廠房內(nèi)運行的 變壓器一般為干式變壓器，被列為安全級設(shè)備。凡是列為安全級的設(shè)備都有抗震要求，稱為 抗震1類，要求它們在安全停堆地震載荷下保持結(jié)構(gòu)完整性或保持其功能。因此，對核電用 干式變壓器抗震可靠度研究是必要的，也是必須的。目前我國核電用干式變壓器抗震能力評定大部分是通過抗震臺抗震試驗來評估 的，而每次的抗震試驗支出不僅在經(jīng)濟(jì)上，人力上還是時間上都是很大成本。隨著計算機、 有限元及抗震工程的發(fā)展，在建筑行業(yè)已有很多將抗震臺試驗搬進(jìn)了計算機，不再將每次 設(shè)計構(gòu)想做成實物模型進(jìn)行抗震臺抗震試驗，而是在計算機中進(jìn)行多次模擬分析，改進(jìn)模 型，確定出最終模型再到抗震臺進(jìn)行抗震校驗。對核電用干式變壓器抗震可靠度分析完全 可以借鑒此方法，來降低試驗次數(shù)，減少樣機生產(chǎn)，縮短研發(fā)周期。當(dāng)然，建筑行業(yè)的抗震性能分析，主要是結(jié)構(gòu)抵抗地震作用的能力分析。而對于帶 電運行的核電用干式變壓器，為了更真實的模擬設(shè)備運行時遭遇地震作用，對其抗震可靠 度分析應(yīng)在考慮地震作用的同時，不應(yīng)忽視電磁力的作用。中國專利文獻(xiàn)號CN 101575885A于2009年11月11日公開一種建筑結(jié)構(gòu)的抗震控 制設(shè)計方法，根據(jù)密肋結(jié)構(gòu)體系的使用場所，選擇各部件的組成形式；根據(jù)功率密度函數(shù)表 達(dá)式，確定多遇地震、基本設(shè)防烈度地震和罕遇地震的輸入強度；結(jié)構(gòu)計算模型的確立，即 確定密肋結(jié)構(gòu)彈性階段的等效彈性模型、彈塑性階段的鋼架斜壓桿模型、破壞階段的梁鉸 框架模型。該抗震控制設(shè)計方法將結(jié)構(gòu)設(shè)計控制有限值考慮為隨機變量，應(yīng)用動力可靠度 理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；可將地震作用細(xì)化為多個水準(zhǔn)，并可考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)的變異性。使設(shè)計和 建造的工程結(jié)構(gòu)能在各種可能遇到的地震作用下，他的反應(yīng)和破壞性態(tài)均在設(shè)計的預(yù)期范 圍內(nèi)，不僅能確保生命安全，而且能確保經(jīng)濟(jì)損失最少，對地震反應(yīng)和破壞進(jìn)行了定量的控 制設(shè)計。但是，卻沒有考慮電磁力的作用，而對于干式變壓器不考慮電磁力作用的結(jié)果是導(dǎo) 致部分零部件，如拉板和壓釘?shù)鹊膽?yīng)力計算值偏小，從而影響核電用干式變壓器的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種提高核電用干式變壓器的研發(fā)效率、降低研發(fā)成本、適用范圍廣的核電用干式變壓器的抗震性能分析方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處。按此目的設(shè)計的一種核電用干式變壓器的抗震性能分析方法，其特征是包括以下 步驟步驟一、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計，根據(jù)核電站相關(guān)技術(shù)要求，對干式變壓器做電磁設(shè)計和初 步結(jié)構(gòu)設(shè)計；步驟二、計算模型確立，由初步結(jié)構(gòu)設(shè)計及干式變壓器的安裝固定方案，利用計算 機通過有限元軟件，合理選擇建模方式及模型邊界條件處理方式； 步驟三、電磁場分析，根據(jù)干式變壓器的電磁設(shè)計，確定干式變壓器在正常工作狀 態(tài)下的電磁場載荷輸入條件，利用計算機通過有限元軟件進(jìn)行電磁力分析；步驟四、結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，利用計算機通過有限元軟件，對干式變壓器進(jìn)行地震作用 前的裝配預(yù)緊分析；步驟五、地震作用輸入條件確定，根據(jù)核電站提供的樓層反應(yīng)譜，利用計算機通過 高級計算機編程語言，擬合出人工地震波及人工地震波反應(yīng)譜；步驟六、計算模型強度計算，利用計算機通過有限元軟件，將預(yù)緊力、電磁力作為 初始條件，擬合的人工地震波作為地震荷載，計算輸出干式變壓器的主要構(gòu)件的位移、應(yīng) 力、應(yīng)變及加速度結(jié)果；步驟七、抗震性能評估，根據(jù)國內(nèi)外核電抗震設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求，評定干式變壓 器的抗震性能的可靠度；步驟八、薄弱環(huán)節(jié)修正，當(dāng)通過步驟七判定干式變壓器的抗震性能的可靠度不滿 足要求時，應(yīng)當(dāng)對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固修正后，再然后重復(fù)步驟一至步驟七；當(dāng)通過步驟七判定干式變壓器的抗震性能的可靠度滿足要求時，結(jié)束分析，制造 樣機；步驟九、抗震驗證試驗，當(dāng)干式變壓器在抗震驗證試驗中得到的實測值與干式變 壓器在步驟六中得到的理論計算值之間的誤差落在允許范圍內(nèi)時，產(chǎn)品設(shè)計投入生產(chǎn)。所述允許范圍<15%。本發(fā)明更真實的模擬出核電用干式變壓器在隨機的地震動作用下的運動情況，讓 干式變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足抗震要求反應(yīng)譜的強度要求，利用虛擬樣機進(jìn)行強度校核， 可以減少實物樣機的抗震試驗次數(shù)，從而可以縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本，讓核電用干式 變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，并且能夠進(jìn)行量化控制。本發(fā)明可應(yīng)用于所有型號的核電用干式變壓器抗震設(shè)計計算，其具有研發(fā)效率 高、研發(fā)成本低和適用范圍廣的特點。


圖1為本發(fā)明一實施例的分析流程圖。圖2為本發(fā)明的計算模型建立框圖。圖3為本發(fā)明的地震作用輸入條件確立框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
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參見圖1-圖3，本核電用干式變壓器的抗震性能分析方法，包括以下步驟步驟一、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計，根據(jù)核電站相關(guān)技術(shù)要求，對干式變壓器做電磁設(shè)計和初 步結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)核電站對干式變壓器的功能要求，設(shè)計核電用干式變壓器。為滿足核電站的 抗震要求，在核電用干式變壓器上設(shè)計特殊的加固裝置，將整個核電用干式變壓器及其加 固裝置的外部總體尺寸控制在抗震要求的范圍內(nèi)。特殊加固裝置在考慮普通的干式變壓器的固定方案的基礎(chǔ)上設(shè)計的，如支架、底 座等。由于普通的干式變壓器是沒有支架的，只有核電用干式變壓器才會裝上支架，以增 強其抗震能力，核電用干式變壓器的底座是根據(jù)核電站對于干式變壓器的固定方式而設(shè)計 的，根據(jù)強度要求而定，核電用干式變壓器的底座強度也是普通干式變壓器底座強度的好 幾倍。步驟二、計算模型確立，由初步結(jié)構(gòu)設(shè)計及核電用干式變壓器的安裝固定方案，利 用計算機通過有限元軟件，合理選擇建模方式及模型邊界條件處理方式。目前常用的有限元軟件，如ANSYS，ABAQUS, ALGOR, AMESim等，基本都能實現(xiàn)此功 能。根據(jù)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計的核電用干式變壓器的結(jié)構(gòu)特點，如圖2，利用有限元的理論知 識，對核電用干式變壓器的幾何模型進(jìn)行簡化；在高級計算機的操作平臺上，如windows操 作系統(tǒng)，通過有限元軟件建立有限元模型；根據(jù)核電用干式變壓器的安裝固定方案，建立模 型邊界條件，完成計算模型建立。步驟三、電磁場分析，根據(jù)核電用干式變壓器的電磁設(shè)計，確定核電用干式變壓器 在正常工作狀態(tài)下的電磁場載荷輸入條件，利用計算機通過有限元軟件進(jìn)行電磁力分析。根據(jù)核電用干式變壓器的電磁設(shè)計，利用有限元軟件建立核電用干式變壓器的鐵 芯和線圈的電磁場，計算鐵芯和線圈之間的電磁力。對于正常工作狀態(tài)下的電磁場載荷輸入條件，一般是指核電用干式變壓器的電 壓、電流，交流電頻率和線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)等等。步驟四、結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，利用計算機通過有限元軟件，對核電用干式變壓器進(jìn)行地 震作用前的裝配預(yù)緊分析；由于核電用干式變壓器的很多支撐件連接，如夾件與底座的連 接，支架與夾件的連接等等，是依靠螺栓完成的，所以會存在裝配預(yù)緊。在重力場下，對核電 用干式變壓器進(jìn)行預(yù)緊靜力分析。這時的預(yù)緊靜力分析與普通物體的預(yù)緊靜力分析相同。步驟五、地震作用輸入條件確定，根據(jù)核電站提供的樓層反應(yīng)譜，利用計算機通過 高級計算機編程語言，如Vb或Fortran等，擬合出人工地震波及人工地震波反應(yīng)譜?？紤]到核電用干式變壓器的支撐件的彈塑性質(zhì)，采用時程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)地 震分析，需要確定輸入地震波。有關(guān)時程分析法的相關(guān)內(nèi)容見《建筑抗震設(shè)計規(guī)范中》 GB50011-2001 ο如圖3所示，根據(jù)核電站給定的樓層反應(yīng)譜^…)，計算出對應(yīng)的功率譜G(co)；利 用數(shù)值方法生成隨機相位，由功率譜生成傅里葉譜a(t)。通過樓層反應(yīng)譜與功率譜之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以用樓層反應(yīng)譜計算功率譜；通過 功率譜與傅里葉譜之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以用功率譜生成傅里葉譜，關(guān)于樓層反應(yīng)譜、功率譜 和傅里葉譜三者間的關(guān)系在《地震工程學(xué)》第二版里有詳細(xì)介紹，隨機相位角生成方法也有很多種如“三角級數(shù)法、隨機脈沖法、自回歸法等”。《地震工程學(xué)》第二版由地震出版社出 版，出版日期為2006年1月。為了修正從核電站提供的樓層反應(yīng)譜到地震波轉(zhuǎn)換的誤差，將擬合的人工地震波 的反應(yīng)譜&(0與給定的樓層反應(yīng)譜…)進(jìn)行對比，將誤差控制在允許范圍內(nèi)，生成新的 隨機相位及調(diào)整地震波的幅值，得到滿意的地震波，并將該滿意的地震波作為地震作用輸 入條件。本實施例中的允許范圍為<0.05 ；也就是說誤差<0.05就算滿意；生成新的隨機 相位是采用數(shù)值方法；調(diào)整地震波的幅值是采用其他方法，如修正后幅值=修正前幅值* 誤差調(diào)整系數(shù)，誤差調(diào)整系數(shù)=《(《)/&⑴。步驟六、計算模型強度計算，利用計算機通過有限元軟件，將預(yù)緊力、電磁力作為 初始條件，擬合的人工地震波作為地震荷載，計算輸出核電用干式變壓器的主要構(gòu)件的位 移、應(yīng)力、應(yīng)變及加速度結(jié)果。核電用干式變壓器的主要構(gòu)件一般包括夾件，拉板，支架，底座，鐵心，線圈，壓釘?shù)取Ｔ诘卣鹱饔脮r，核電用干式變壓器是處于正常運行狀態(tài)，因此是在裝配預(yù)緊后，處 在電磁力作用狀態(tài)下。為了真實模擬該狀態(tài)，利用計算機通過有限元軟件，將電磁力作用結(jié) 果作為地震作用分析的初始條件，然后將地震作用輸入條件作為地震載荷，進(jìn)行核電用干 式變壓器的強度計算。步驟七、抗震性能評估，根據(jù)國內(nèi)外核電抗震設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求，評定核電用干 式變壓器的抗震性能的可靠度。根據(jù)國外標(biāo)準(zhǔn)ASME III及國內(nèi)《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定，分別制定出 核電用干式變壓器各部件抗震能力的評定準(zhǔn)則，并根據(jù)該評定準(zhǔn)則對核電用干式變壓器各 部件的計算模型的計算結(jié)果進(jìn)行抗震性能評估。其中，ASME為美國機械工程師學(xué)會；ASME III是指ASME頒布的《核設(shè)施部件建 造規(guī)則》；《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》是中國地震局主編，中華人民共和國建設(shè)部批準(zhǔn)的國家標(biāo) 準(zhǔn)，代號為GB50267-97。所謂分別制定出核電用干式變壓器各部件抗震能力評定準(zhǔn)則是指從標(biāo)準(zhǔn)中選出 合適的內(nèi)容，如根據(jù)GB5026-97《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》附錄F，由F. 1. 1. 1項，可以選出非 螺栓類構(gòu)件常溫下鐵素體鋼的許用應(yīng)力Sm = 1/3 Su，其中Su*鐵素體鋼材料的抗拉強度。步驟八、薄弱環(huán)節(jié)修正，當(dāng)通過步驟七判定核電用干式變壓器的抗震性能的可靠 度不滿足要求時，應(yīng)當(dāng)對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固修正后，再然后重復(fù)步驟一至步驟七；當(dāng)通過步 驟七判定核電用干式變壓器的抗震性能的可靠度滿足要求時，結(jié)束分析，制造樣機。當(dāng)進(jìn)行抗震性能評估時，核電用干式變壓器的部分構(gòu)件的抗震性能不能滿足要 求，對核電用干式變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計做相應(yīng)修正，并重復(fù)步驟一至步驟七，直到核電用干式 變壓器的所有構(gòu)件的抗震性能完全符合相關(guān)要求時，開始生產(chǎn)實物樣機，并到抗震臺進(jìn)行 抗震校驗。當(dāng)進(jìn)行抗震性能評估時，核電用干式變壓器的所有構(gòu)件的抗震性能完全符合相關(guān) 要求時，開始直接生產(chǎn)實物樣機，并到抗震臺進(jìn)行抗震校驗。步驟九、抗震驗證試驗，當(dāng)核電用干式變壓器在抗震驗證試驗中得到的實測值與核電用干式變壓器在步驟六中得到的理論計算值之間的誤差落在允許范圍內(nèi)時，產(chǎn)品設(shè)計 投入生產(chǎn)。本實施例中的允許范圍< 15%，S卩核電用干式變壓器的計算模型的最大加速度 與核電用干式變壓器在抗震驗證試驗中得到的最大加速度的測量值之間的差的絕對值，與 核電用干式變壓器在抗震驗證試驗得到的最大加速度的測量值的商< 15%。例如核電用干式變壓器的計算模型在核電站提供的樓層反應(yīng)譜作用下的夾件的 最大加速度為45m/s2，而核電用于式變壓器的實物樣機中的夾件在抗震驗證試驗中得到的 測量值在40 52m/s2之間時，就認(rèn)為計算值可靠，可投入生產(chǎn)。將實物樣機搬上抗震臺，進(jìn)行抗震試驗。試驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差通常是10 %，這是因 為不可能在任何兩次試驗中，準(zhǔn)確無誤地使用同樣的條件。考慮到偏差，認(rèn)為能夠?qū)⒗碚撚嬎憬Y(jié)果誤差控制在試驗結(jié)果的15%內(nèi)，就已經(jīng)達(dá) 到相當(dāng)好的仿真效果。上述的偏差一般是指實際產(chǎn)品的加工偏差，裝配時的松緊偏差，材料的性能偏差寸寸。當(dāng)核電用干式變壓器在抗震驗證試驗中的位移測量值及加速度測量值與核電用 干式變壓器在理論計算結(jié)果的誤差在15%以內(nèi)時，表明計算方法正確，計算結(jié)果可靠，產(chǎn)品 設(shè)計可以大批量投入生產(chǎn)。下面為考慮了電磁力作用和沒考慮電磁力作用的對比表，
權(quán)利要求
一種核電用干式變壓器的抗震性能分析方法，其特征是包括以下步驟步驟一、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計，根據(jù)核電站相關(guān)技術(shù)要求，對干式變壓器做電磁設(shè)計和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計；步驟二、計算模型確立，由初步結(jié)構(gòu)設(shè)計及干式變壓器的安裝固定方案，利用計算機通過有限元軟件，合理選擇建模方式及模型邊界條件處理方式；步驟三、電磁場分析，根據(jù)干式變壓器的電磁設(shè)計，確定干式變壓器在正常工作狀態(tài)下的電磁場載荷輸入條件，利用計算機通過有限元軟件進(jìn)行電磁力分析；步驟四、結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，利用計算機通過有限元軟件，對干式變壓器進(jìn)行地震作用前的裝配預(yù)緊分析；步驟五、地震作用輸入條件確定，根據(jù)核電站提供的樓層反應(yīng)譜，利用計算機通過高級計算機編程語言，擬合出人工地震波及人工地震波反應(yīng)譜；步驟六、計算模型強度計算，利用計算機通過有限元軟件，將預(yù)緊力、電磁力作為初始條件，擬合的人工地震波作為地震荷載，計算輸出干式變壓器的主要構(gòu)件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及加速度結(jié)果；步驟七、抗震性能評估，根據(jù)國內(nèi)外核電抗震設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求，評定干式變壓器的抗震性能的可靠度；步驟八、薄弱環(huán)節(jié)修正，當(dāng)通過步驟七判定干式變壓器的抗震性能的可靠度不滿足要求時，應(yīng)當(dāng)對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固修正后，再然后重復(fù)步驟一至步驟七；當(dāng)通過步驟七判定干式變壓器的抗震性能的可靠度滿足要求時，結(jié)束分析，制造樣機；步驟九、抗震驗證試驗，當(dāng)干式變壓器在抗震驗證試驗中得到的實測值與干式變壓器在步驟六中得到的理論計算值之間的誤差落在允許范圍內(nèi)時，產(chǎn)品設(shè)計投入生產(chǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核電用于式變壓器的抗震性能分析方法，其特征是所述允許 范圍< 15%。
全文摘要
一種核電用干式變壓器的抗震性能分析方法，包括以下步驟結(jié)構(gòu)初步設(shè)計、計算模型確立、電磁場分析、結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、地震作用輸入條件確定、計算模型強度計算、抗震性能評估、薄弱環(huán)節(jié)修正和抗震驗證試驗，當(dāng)干式變壓器在抗震驗證試驗中得到的實測值與其理論計算值之間的誤差落在允許范圍內(nèi)時，產(chǎn)品設(shè)計投入生產(chǎn)。本發(fā)明更真實的模擬出核電用干式變壓器在隨機的地震動作用下的運動情況，讓干式變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足抗震要求反應(yīng)譜的強度要求，利用虛擬樣機進(jìn)行強度校核，可以減少實物樣機的抗震試驗次數(shù)。本發(fā)明可應(yīng)用于所有型號的核電用干式變壓器抗震設(shè)計計算，其具有研發(fā)效率高、研發(fā)成本低和適用范圍廣的特點。
文檔編號G06F17/50GK101944140SQ20101025356
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月8日
發(fā)明者劉燕, 吳紅菊, 易吉良, 肖勛, 黃嘉培 申請人:順特阿?，m電氣有限公司