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利用PIPESTRESS軟件的常見支架力學建模分析論文
引言
2011 年 3 月 11 日，日本因地震、海嘯發(fā)生了福島核事故。日本福島核事故給核電業(yè)界造成了巨大和深遠的影響。我國政府在日本福島事故發(fā)生后第 5 天對國內(nèi)核電發(fā)展做出四項決定(稱“國四條”)，要求對核設(shè)施進行全面檢查，嚴格審批核電新項目，抓緊編制核安全規(guī)劃，調(diào)整完善核電中長期發(fā)展規(guī)劃，在核安全規(guī)劃批準前，暫停審批核電項目。這一事故直到 4 年后的今天，仍然對核電業(yè)界產(chǎn)生著深遠的影響。
從國家戰(zhàn)略角度，當時我們國家的核電投運裝機容量只有大約 1000 萬 k W，然而在技術(shù)路線上已經(jīng)是百花齊放，有引進法國的 M310、加拿大的 CANDU 重水堆、田灣的 VVER，以及基于 M310 改進的 CPR1000 機型。在建的還有引進的 AP1000 和 EPR 三代技術(shù);自主研發(fā)的有國家核電的 CAP1400 技術(shù)、中廣核的 ACPR1000+技術(shù)和中核的 ACP1000 技術(shù)。技術(shù)型號過多已經(jīng)影響到了我國核電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，因此國家層面希望盡量能夠統(tǒng)一到一兩種技術(shù)路線的發(fā)展路徑上來，形成產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢和規(guī)模優(yōu)勢，減少資源浪費，降低成本。從技術(shù)角度，ACPR1000+技術(shù)和 ACP1000 技術(shù)有著類似的設(shè)計理念和技術(shù)基礎(chǔ)，部分設(shè)計參數(shù)十分接近，兩者融合起來的技術(shù)難度相對較低，技術(shù)上是可行的。于是，中廣核確定將ACPR1000+技術(shù)和 ACP1000 技術(shù)進行融合，融合后的技術(shù)以“三個實體隔離的安全系列”和“177 堆芯”為主要技術(shù)特征，名稱確定為“華龍一號”。
“華龍一號”項目主要應(yīng)用力學 PIPESTRESS 軟件進行力學分析計算。
1 PIPESTRESS軟件和常用支架
1.1 PIPESTRESS 軟件簡介及主要功能
PIPESTRESS 軟件是被國際廣泛使用的核級管道力學分析軟件，目前廣泛應(yīng)用于美國、法國、中國以及日本。其主要功能如下：完善的管道模型以及計算結(jié)果的前后處理功能;核級管道結(jié)構(gòu)靜力學分析，包括結(jié)構(gòu)自重、熱膨脹、風載荷、雪載荷、沉降以及預應(yīng)力分析等;核級管道結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析;核級管道時程分析，可進行力時程或加速度時程分析;核級管道熱分層分析;核級管道疲勞分析。幾乎包含了目前核電行業(yè)常用的標準規(guī)范，例如ASME、RCCM、KTA、EN13480 等。
1.2 管道支架定義及類型
管道支架(簡稱為支架)是支撐管道的一種結(jié)構(gòu)件，又被稱作管道支座、管部等。它作為管道的支撐結(jié)構(gòu)，根據(jù)管道的運轉(zhuǎn)性能和布置要求，管架分成固定和活動兩種。設(shè)置固定點的地方成為固定支架，這種管架與管道之間不能發(fā)生相對位移，而且，固定管架受力后的變形與管道補償器的變形值相比，應(yīng)當很小，因為管架要具有足夠的剛度。設(shè)置中間支撐的地方采用活動管架，管道與管架之間允許產(chǎn)生相對位移，不約束管道的熱變形。我們根據(jù)支架約束功能的不同，把支架劃分為剛性支架、彈吊支架、阻尼器支架等。
在使用 PIPESTRESS 進行管道計算時，管道上設(shè)置了支架的位置需要施加約束。本文對常用的支架(如剛性支架、彈吊、阻尼器等)該如何在程序中實現(xiàn)約束管道的功能進行了總結(jié)。
2 如何在PIPESTRESS軟件中對常用支架進行約束
在使用 PIPRSTRESS 計算時，要想正確施加約束，需要理解以下兩方面的內(nèi)容：1) 深刻理解 PIPESTRESS 中對局部坐標系的定義;2) 注意支架的轉(zhuǎn)角情況和支架的約束所處的坐標系。
2.1 PIPESTRESS 的局部坐標系定義
要保證 PIPESTRESS 計算時支架約束方向的正確性 ， 首 先 要 深 刻 理 解PIPESTRESS 對單元的局部坐標系的定義。相對于總體坐標系(XYZ)，局部坐標系定義為 UVW。直管單元、剛性單元、大小頭的局部坐標遵守如下規(guī)則：1)W 軸是單元的軸向;2)如果 W 軸與總體坐標系的 Y 軸平行，則 U 軸與總體坐標系的X 軸一致，V 軸由右手法則確定;3)如果 W 軸與總體坐標系的 Y 軸不平行，則 V 軸在 WY 平 面 內(nèi) 垂 直 于 W軸，方向與 Y 軸方向一致，U軸由右手法則確定。
2.2 計算中的常用約束
PIPESTRESS 提 供 了10 種約束定義方法，我們常用的有：
1)固定點(ANCH/NOZZ/CONN)：ANCH PT=1 EW=1LO=0 LV=2。ANCH 卡片是定義錨固點，與 ANCH 命令類似的命令還有 NOZZ、CONN�？ㄆ懈鞣柕暮x：PT 為節(jié)點號;EW 為端點焊縫類型;LV 為該約束處譜分析時選用的反應(yīng)譜編號，與 SPEC 中的 LV 相對應(yīng);LO 為定義約束的參考坐標系;LO=0 表示約束采用的是全局坐標系;LO=1 表示約束采用的是與相鄰單元的局部坐標系相同的坐標系。
KX/KY/KZ/MX/MY/MZ 表示約束方向的剛度，默認值 如下：Kx=Ky=Kz=1.75 ×107k N/mm，Mx=My=Mz=1.13 ×109k N·m/rad。
2) 多向約束(MULR)：MULR PT=1 LO=0 LV=2 DX=1DY=1。MULR 卡片是定義多向約束�？ㄆ懈鞣柕暮x：PT 為節(jié)點號;LV 為該約束處譜分析時選用的反應(yīng)譜編號，與 SPEC 中的 LV 相對應(yīng);LO 為定義約束的參考坐標系;LO=0 表示約束采用的是全局坐標系;LO=1 表示約束采用的是與相鄰單元的局部坐標系相同的坐標系。
DX/DY/DZ/RX/RY/RZ 表示剛性約束方向，等于 1 表示這個方向被約束。
3 結(jié)語
華龍一號項目作為我國自主設(shè)計的三代核能發(fā)電技術(shù)，既體現(xiàn)了我們自主設(shè)計的能力，也實現(xiàn)了抗震能力的提升，提高了核電站的安全性。支架作為管道抗震能力的承載者，其力學分析意義重大。作為一名嚴謹?shù)牧W分析人員，需要深刻理解 PIPESTRESS 中對局部坐標系的定義并準確分析每一支架的功能及約束方向，運用正確的程序語言進行編寫，這樣才能保證力學分析結(jié)論的正確可靠。
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