超导馈线的地震分析

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1分析模型创建

馈线结构复杂，部件众多，在创建馈线有限元分析模型时，需要根据馈线部件不同的结构特点，分别采用不同的有限元单元创建。对于馈线中的壳体类零部件，如终端盒壳体、S弯盒壳体、外保护管，Ring环壳体、冷屏等薄壳类部件，统一采用壳单元(Shell181单元)模拟，并通过壳单元的实常数来控制不同壳体的厚度;馈线中的超导母线，为多截面(其横截面由内到外依次为超导体、不锈钢铠体及绝缘体三部分)细长实体，采用梁单元(Beam188单元)进行模拟，超导母线的多截面特点则是通过设置不同的梁单元截面参数来模拟;馈线中Ring环支撑采用T形钢结构，可同样采用梁单元模拟，并通过梁单元的截面参数来控制其外形尺寸及形状。在分析中采用梁单元模拟的结构还包括超导母线支撑及冷却管支撑，考虑到这些支撑的刚度远大于超导母线以及冷却管本身，因此在分析中，我们对母线及冷却管支撑采用刚性梁代替(设置较大刚度)。内馈线与过渡馈线连接处的铰链结构则通过Beam44梁单元模拟，并通过释放Beam44单元的旋转自由度来实现铰链的转动功能。而馈线中的各类低温冷却管道则可直接用管单元(PipeElement)模拟，同时通过设置管单元实常数来控制冷却管的尺寸特征。分析模型中各类控制阀则以集中质量形式，通过Mass21单元施加在对应位置的节点上以模拟其质量。馈线地震分析有限元模型创建的最大难点在于母线及管道支撑间隙的模拟。当前关于核压力管道地震的相关分析中，通常忽略管道与支撑的间隙，并按照固定约束处理，但考虑支撑间隙客观存在，尤其对于馈线结构的S弯处，采用夹板式支撑，可运动空间较大，如果忽略支撑间隙，势必会对分析结果产生较大影响。因此，对于支撑间隙我们采用了带间隙的弹簧单元(Combin40Element)模拟，弹簧单元一个节点在母线(或冷却管)上，另一个节点(两节点重合)在支撑(Beam188)上，并通过支撑连接到隔板等部件上。由于每个Combin40单元只能对一个运动方向进行限制，因此对于母线及冷却管的每个卡箍型支撑，需要设置4个combin40单元，对于S弯处的夹板型支撑，根据部位的不同，分别需要设置两个(限制左、右运动)或3个(支撑顶部或底部，限制3个方向运动)combin40单元。最终创建的有限元分析模型如图3所示。

2地震分析

2．1模态分析首先需要进行模态分析。模态是结构的固有振动特性，每个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态阵型。馈线在地震载荷作用下，其变形及内力与馈线的自振周期和振型有关，因此，模态分析是对馈线进行地震分析的基础。利用ANSYS模态分析的子空间迭代法对模型进行分析。获取的模型前10阶频率如表1所示，其中1、9阶振型主要表现为S弯处管道右侧侧向摆动，2、4、6阶振型主要表现为馈线左右侧向摆动，并发生明显扭转，3、7、10阶振型主要表现为扭转，5、8阶振型主要表现为横向摆动。图4为馈线第一阶振型图。2．2地震频谱分析模态分析完毕后，采用谱分析法对馈线进行地震分析。谱分析是模态分析的扩展，用于计算结构对地震及其它随机激励的响应。由于反应谱理论计算简单、概念合理，所以目前很多国家都采用这一理论进行地震计算。分析中采用ITER建造地法国卡达拉奇地震载荷谱［5］，按两个相互垂直的水平方向和一个竖直方向施加，其中竖直方向加速度峰值取水平向加速度峰值的2/3。最后通过SRSS法(最大反应值的平方和的平方根法)进行模态叠加组合，以获取馈线的地震响应应力及位移情况。2．3分析结果分析结果表明地震引起的附加应力较小，对于终端盒、S弯盒、外保护管，Ring环壳体等较厚的壳体部件，最大地震响应应力(一次总体薄膜应力强度)小于4MPa，最大一次薄膜应力强度加一次弯曲应力强度值小于5MPa;对于冷屏这样的较薄壳体部件，其最大地震响应应力约为15MPa，最大一次薄膜应力强度加一次弯曲应力强度值小于11MPa;受地震载荷作用影响最大的是S弯处超导母线及冷却管，此处最大地震响应应力约为38MPa左右(如图5所示)，最大一次薄膜应力强度加一次弯曲应力强度值约为40MPa。根据馈线设计准则，要求一次总体薄膜应力强度小于2/3倍的材料屈服强度(即:许用应力为2/3倍的材料屈服强度)，同时要求一次薄膜应力强度加一次弯曲应力强度值小于1．5倍的材料许用应力。上述地震分析结果均远远小于此设计标准，同时检查馈线变形情况，部件之间未发生干涉，即:现有馈线结构设计可满足地震要求。2．4不考虑间隙的计算结果将分析模型中Combin40单元的间隙值设置为0，重新分析，模拟并获取不考虑间隙时馈线各主要部件的地震响应情况。分析结果表明，对于终端盒、S弯盒、外保护管，Ring环以及冷屏等壳体组件，间隙值对分析结果基本没有太大的影响(1%以内)，但对于超导母线及冷却管这些管道部件，间隙对应力大小及应力分布均产生较大影响，特别是对于S弯处，其最大应力由考虑间隙时的约38MPa降至约10MPa，即S弯处最大应力在不考虑间隙时约为考虑间隙时的25%左右，且最大应力位置发生改变;对于过渡馈线及Ring环处的管道(采用卡箍型支撑)，其最大应力也只为考虑支撑时最大应力的80～90%左右。即支撑间隙对管道类部件有较大影响，在进行地震分析时，应该充分考虑间隙存在对管道类部件分析结果的影响。

3结束语

本文结合馈线的结构特点，创建合适馈线地震分析的有限元分析模型，结合法国卡达拉奇地震载荷谱，对馈线进行地震频谱分析，并采用SRSS法对模态进行组合。分析结果表明，馈线抗震设计较好，现有结构设计可满足馈线的地震要求;支撑间隙分析结果表明，间隙对馈线壳体分析结果影响较小，但对于馈线内部的管道类部件影响较大。因此，在对馈线进行地震分析时，需要充分考虑间隙值对管道类部件分析结果的影响。

作者：张远斌 宋云涛 单位：合肥学院机械系 中科院等离子体物理研究所