介紹了核級閘閥基頻模態(tài)分析和試驗(yàn)測定意義，闡述了核級閘閥基頻模態(tài)分析的基本理論和分析方法，并利用ASMEQME-1要求，對核級閘閥的基頻進(jìn)行試驗(yàn)測定，驗(yàn)證了模態(tài)分析方法和結(jié)果的正確性。

1、概述

　　當(dāng)物體在特定方向受到變形然后松開，由其自身物理特性(質(zhì)量和剛度)引起的物體振動頻率稱為基頻。當(dāng)?shù)卣疠斎氲念l率剛好使閥門裝置的慣性力與彈簧恢復(fù)力完全抵消時(shí)，閥門裝置就會產(chǎn)生諧振。為了保證核電閥門閥體和閥蓋頸部、中法蘭螺栓等危險(xiǎn)部位的強(qiáng)度和剛度要求，必須避免產(chǎn)生諧振，即要求閥門的基頻大于地震頻率。因此能動閥門抗震鑒定中基頻的分析和測定是必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容，同時(shí)核電閥門的基頻是確定抗震鑒定時(shí)采用靜力法或動態(tài)法的基礎(chǔ)，因此對閥門的基頻確定就顯得非常重要。

　　ASMEQME-1和HAFJ0053均規(guī)定核電能動閥門的鑒定方法有試驗(yàn)法、分析法、分析與試驗(yàn)相結(jié)合法等3種方法。分析法廣泛用于由樣機(jī)閥門鑒定和結(jié)構(gòu)上類似于樣機(jī)閥門的待定閥門的擴(kuò)展鑒定中，試驗(yàn)法是樣機(jī)閥門在第一次鑒定時(shí)采用的主要方法，并用于驗(yàn)證分析法采用的數(shù)學(xué)模型的合理性或?qū)��?shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。本文按ASMEQME-1要求，對核級閘閥的基頻進(jìn)行理論分析計(jì)算和試驗(yàn)測定。

2、分析法

　　分析法要求設(shè)備能合理地離散化為理想的數(shù)學(xué)模型，并準(zhǔn)確地反映其動力特性(如頻率、阻尼、振型等)。通過適用和有效的計(jì)算機(jī)程序分析，其動力分析結(jié)果應(yīng)與可接受的判據(jù)進(jìn)行比較，并應(yīng)在判據(jù)要求的范圍內(nèi)。根據(jù)閥門裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常采用多質(zhì)點(diǎn)的集中質(zhì)量模型或有限元模型對閥門裝置進(jìn)行模擬，并采用經(jīng)國家核安全局認(rèn)可的國際公認(rèn)的大型有限元計(jì)算程序(如ANSYS)進(jìn)行模態(tài)分析。一般地震頻率小于33Hz，閥門的第1階固有頻率(基頻)必須大于33Hz，才能夠保證核電閥門的剛性要求。

2.1、模態(tài)分析基礎(chǔ)

　　ANSYS的模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。模態(tài)分析求解的基本方程為

　　式中[K]———剛度矩陣

　　[M]———質(zhì)量矩陣

　　{Φi}———第i階模態(tài)的振型向量(特征向量)

　　ωi———第i階模態(tài)的固有頻率(ωi2是特征值)

2.2、有限元模型建立

　　有限元計(jì)算模型應(yīng)能準(zhǔn)確的按照閥門實(shí)際結(jié)構(gòu)建立。由于核級閘閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用CAD三維軟件建立幾何模型后，導(dǎo)入ANSYS生成有限元模型。并對計(jì)算結(jié)果影響較小而對計(jì)算收斂速度影響較大的部分倒角、棱角、尖角等進(jìn)行簡化。模型采用AN-SYS程序中SOLID92實(shí)體單元進(jìn)行有限元離散�？紤]閥門安裝情況的相似性，將閥門的兩端法蘭采用固定邊界全約束。使用智能網(wǎng)格劃分工具，根據(jù)閥門模型的形狀、尺寸和設(shè)置的精度自動選擇合適的網(wǎng)格密度進(jìn)行劃分。

　　建立核級閘閥有限元模型采用的坐標(biāo)系為沿閥門流道中心線方向?yàn)閄軸方向，垂直X軸的水平方向?yàn)閅軸方向，垂直于X-Y平面為Z軸方向。分析載荷為內(nèi)壓、自重、地震和接管載荷等。

2.3、模型的模態(tài)分析

　　根據(jù)模態(tài)提取的最高頻率至少為分析頻率兩倍的原則，在ANSYS程序設(shè)定頻率范圍內(nèi)提取閥門分別在X、Y和Z軸向各階頻率中的最低固有頻率(表1)。

表1 閥門的固有頻率

　　從模態(tài)分析可知，所設(shè)計(jì)的核級閘閥的第一階基頻為40.123Hz，大于截?cái)囝l率33Hz，因此閥門整體結(jié)構(gòu)的剛度足夠大，認(rèn)為是剛性結(jié)構(gòu)，可以采用等效靜力法進(jìn)行抗震計(jì)算。

3、試驗(yàn)法測定閥門基頻

　　ASMEQME-1中測定閥門基頻的試驗(yàn)法要求，設(shè)備固定在可產(chǎn)生與預(yù)期自然地震相同的模擬振動的平臺上，在對影響設(shè)備內(nèi)部機(jī)能的各重要位置，或結(jié)構(gòu)模態(tài)特性指示良好的位置，采用工具進(jìn)行響應(yīng)測量。然后，對設(shè)備施加適當(dāng)激勵(lì)，對響應(yīng)進(jìn)行記錄。

3.1、基頻測定的基本原理

　　當(dāng)信號f(t)和x(t)分別為某系統(tǒng)的輸入(激勵(lì))和輸出(響應(yīng))信號時(shí)，動態(tài)信號分析儀求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

　　式中

　　H(f)———頻響函數(shù)

　　γ2(f)———相干函數(shù)

　　Gf(f)———輸入(激勵(lì))信號f(t)的自功率譜

　　Gx(f)———輸出(響應(yīng))信號x(t)的自功率譜

　　Gfx(f)———輸入(激勵(lì))信號f(t)和輸出(響應(yīng))信號x(t)的互功率譜

　　相干函數(shù)的值總是在0～1之間。當(dāng)它接近1時(shí)，說明f(t)和x(t)間有良好的因果關(guān)系;當(dāng)它明顯小于1時(shí)，說明信號受到干擾噪聲的“污染”，或者系統(tǒng)具有非線性特性。傳遞函數(shù)幅值曲線的峰值或其虛部曲線的極值[在γ2(f)接近1時(shí)]就是系統(tǒng)的固有頻率。

3.2、基頻測定試驗(yàn)

　　閥門安裝在管道上，且管道在地震響應(yīng)中對閥門產(chǎn)生一定的放大作用，因此常采用正弦掃頻波作為閥門的地震輸入，進(jìn)行閥門基頻測定試驗(yàn)。按ASMEQME-1QVP-7341.1規(guī)定，采用振動臺法對核級閘閥的基頻進(jìn)行測定。

　　(1)試驗(yàn)前準(zhǔn)備

　　根據(jù)閥門整機(jī)的質(zhì)量、外形尺寸、地震載荷等要求選擇基頻測試振動臺的容量。振動臺能承受閥門和輔助試驗(yàn)裝置的質(zhì)量，臺面的尺寸應(yīng)大于設(shè)備的安裝面積。振動臺應(yīng)有足夠?qū)挼墓ぷ黝l率范圍和良好的低頻特性，其工作頻率應(yīng)包括地震頻率0～33Hz范圍。由振動臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成符合要求的人工時(shí)程曲線，并在臺面產(chǎn)生模擬地震動，使設(shè)備的響應(yīng)達(dá)到要求的反應(yīng)加速度值。振動臺在X、Y、Z軸有6個(gè)自由度的振動方向。建議試驗(yàn)用閥門端部為法蘭連接，使試驗(yàn)時(shí)閥門與輔助支架便于連接。若閥門為焊接連接，在所有試驗(yàn)完成后也可加工成焊接端。

　　ASMEQME-1要求將閥門裝置按正常安裝點(diǎn)(通常是閥體端部)剛性安裝在一個(gè)能在單一方向上提供純正弦振動的振動臺上。試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)主要由壓力表、試驗(yàn)軟管、試壓泵、系統(tǒng)閥、泄壓閥和振動試驗(yàn)臺等構(gòu)成。閥門和振動臺通過固定支架連接，連接支架應(yīng)有足夠剛度，其固有頻率應(yīng)大于33Hz，才不會引起設(shè)備基底輸入頻率和幅值的變化。

1.試壓泵 2、4、7.壓力表 3.系統(tǒng)閥 5.被測試閥 6.振動試驗(yàn)臺 8.泄壓閥

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

　　(2)閥門的固定和測點(diǎn)布置

　　閥門的固定方向?yàn)檠睾思夐l閥流通方向?yàn)樗�平X向，垂直X軸的水平方向?yàn)閅向，垂直于X-Y平面的垂直方向?yàn)閆向。共布置3個(gè)加速度測點(diǎn)。A1置于閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)處，A2置于閥體頂部，A3置于近閥門重心處。每一個(gè)加速度測點(diǎn)布置均有3個(gè)加速度計(jì)，分別對應(yīng)于該測點(diǎn)的X、Y和Z三個(gè)方向，用來測量核級閘閥不同部位在動態(tài)特性測定試驗(yàn)時(shí)的加速度反應(yīng)。

　　(3)基頻測試

　　將測試閥全開啟，打開系統(tǒng)閥和泄壓閥，用試壓泵將試驗(yàn)用水注入測試閥內(nèi)，測試閥體腔充滿水后關(guān)閉系統(tǒng)閥和泄壓閥。分別在閥門的X、Y和Z三個(gè)正交方向上輸入幅值為0.2g、頻率從5～50Hz、掃描速率為1.0octave/min的正弦掃頻波，測定核級閘閥在不同方向上的頻率及阻尼比。根據(jù)各測點(diǎn)處三個(gè)方向的傳遞函數(shù)，分別計(jì)算出閥門自振頻率(表2)。由于其基頻均大于33Hz，可以判定該核級閘閥為剛性閥門。

表2 閥門加速度測點(diǎn)處自振頻率和阻尼比

4、結(jié)語

　　(1)從閥門的基頻采用ANSYS模態(tài)分析法計(jì)算值來看，閥門的基頻為40.123Hz，高于地震的頻率范圍0～33Hz，閥門對地震激勵(lì)無共振效應(yīng)，閥門是剛性閥門。閥門在X和Y方向的頻率較低，是因?yàn)殚y門電動裝置質(zhì)量大，質(zhì)心高，在地震作用下產(chǎn)生的慣性力對閥門的影響較大。

　　(2)從閥門的基頻采用試驗(yàn)測定所得到的結(jié)果來看，閥門X、Z方向的自振頻率大于50Hz，Y方向的自振頻率39.4Hz。閥門的基頻大于閥門的截?cái)囝l率33Hz，與模態(tài)分析的結(jié)果一致。但由于閥門試驗(yàn)采用的輸入頻率為5～50Hz，因此未能得出閥門在各測點(diǎn)的X、Z方向上的具體頻率值。

　　(3)核級閘閥的模態(tài)分析和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，誤差約為1.8%。說明閥門數(shù)學(xué)模型建立是合理的，按ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析是可行的。