CN101944140B - 核电用干式变压器的抗震性能分析方法 - Google Patents

Abstract

一种核电用干式变压器的抗震性能分析方法，包括以下步骤：结构初步设计、计算模型确立、电磁场分析、结构静态分析、地震作用输入条件确定、计算模型强度计算、抗震性能评估、薄弱环节修正和抗震验证试验，当干式变压器在抗震验证试验中得到的实测值与其理论计算值之间的误差落在允许范围内时，产品设计投入生产。本发明更真实的模拟出核电用干式变压器在随机的地震动作用下的运动情况，让干式变压器的结构设计能满足抗震要求反应谱的强度要求，利用虚拟样机进行强度校核，可以减少实物样机的抗震试验次数。本发明可应用于所有型号的核电用干式变压器抗震设计计算，其具有研发效率高、研发成本低和适用范围广的特点。

Description

核电用干式变压器的抗震性能分析方法

技术领域

本发明涉及一种抗震性能分析方法，特别是一种核电用干式变压器的抗震性能分析方法。

背景技术

核电设备不同于一般民用工业产品，尤其是与核安全有关的设备，其性能好坏和运行可靠与否直接影响到核电站运行的安全性和经济性。因此，核电设备的设计需经过严格的设计验证，核电设备要通过试制样机进行设备鉴定，设计和制造核级产品的设计院和制造厂需按国家核监管部门的要求取得设计、制造许可证，方能从事核级产品的设计和制造活动。

核电用干式变压器是为其他设施提供电源的干式变压器。而核电站厂房内运行的变压器一般为干式变压器，被列为安全级设备。凡是列为安全级的设备都有抗震要求，称为抗震1类，要求它们在安全停堆地震载荷下保持结构完整性或保持其功能。因此，对核电用干式变压器抗震可靠度研究是必要的，也是必须的。

目前我国核电用干式变压器抗震能力评定大部分是通过抗震台抗震试验来评估的，而每次的抗震试验支出不仅在经济上，人力上还是时间上都是很大成本。随着计算机、有限元及抗震工程的发展，在建筑行业已有很多将抗震台试验搬进了计算机，不再将每次设计构想做成实物模型进行抗震台抗震试验，而是在计算机中进行多次模拟分析，改进模型，确定出最终模型再到抗震台进行抗震校验。对核电用干式变压器抗震可靠度分析完全可以借鉴此方法，来降低试验次数，减少样机生产，缩短研发周期。

当然，建筑行业的抗震性能分析，主要是结构抵抗地震作用的能力分析。而对于带电运行的核电用干式变压器，为了更真实的模拟设备运行时遭遇地震作用，对其抗震可靠度分析应在考虑地震作用的同时，不应忽视电磁力的作用。

中国专利文献号CN 101575885A于2009年11月11日公开一种建筑结构的抗震控制设计方法，根据密肋结构体系的使用场所，选择各部件的组成形式；根据功率密度函数表达式，确定多遇地震、基本设防烈度地震和罕遇地震的输入强度；结构计算模型的确立，即确定密肋结构弹性阶段的等效弹性模型、弹塑性阶段的钢架斜压杆模型、破坏阶段的梁铰框架模型。该抗震控制设计方法将结构设计控制有限值考虑为随机变量，应用动力可靠度理论进行结构设计；可将地震作用细化为多个水准，并可考虑结构参数的变异性。使设计和建造的工程结构能在各种可能遇到的地震作用下，他的反应和破坏性态均在设计的预期范围内，不仅能确保生命安全，而且能确保经济损失最少，对地震反应和破坏进行了定量的控制设计。但是，却没有考虑电磁力的作用，而对于干式变压器不考虑电磁力作用的结果是导致部分零部件，如拉板和压钉等的应力计算值偏小，从而影响核电用干式变压器的安全性。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种提高核电用干式变压器的研发效率、降低研发成本、适用范围广的核电用干式变压器的抗震性能分析方法，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种核电用干式变压器的抗震性能分析方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一、结构初步设计，根据核电站相关技术要求，对干式变压器做电磁设计和初步结构设计；

步骤二、计算模型确立，由初步结构设计及干式变压器的安装固定方案，利用计算机通过有限元软件，合理选择建模方式及模型边界条件处理方式；

步骤三、电磁场分析，根据干式变压器的电磁设计，确定干式变压器在正常工作状态下的电磁场载荷输入条件，利用计算机通过有限元软件进行电磁力分析；

步骤四、结构静态分析，利用计算机通过有限元软件，对干式变压器进行地震作用前的装配预紧分析；

步骤五、地震作用输入条件确定，根据核电站提供的楼层反应谱，利用计算机通过高级计算机编程语言，拟合出人工地震波及人工地震波反应谱；

步骤六、计算模型强度计算，利用计算机通过有限元软件，将预紧力、电磁力作为初始条件，拟合的人工地震波作为地震荷载，计算输出干式变压器的主要构件的位移、应力、应变及加速度结果；

步骤七、抗震性能评估，根据国内外核电抗震设计规范的相关要求，评定干式变压器的抗震性能的可靠度；

步骤八、薄弱环节修正，当通过步骤七判定干式变压器的抗震性能的可靠度不满足要求时，应当对薄弱环节进行加固修正后，再然后重复步骤一至步骤七；

当通过步骤七判定干式变压器的抗震性能的可靠度满足要求时，结束分析，制造样机；

步骤九、抗震验证试验，当干式变压器在抗震验证试验中得到的实测值与干式变压器在步骤六中得到的理论计算值之间的误差落在允许范围内时，产品设计投入生产。

所述允许范围＜15％。

本发明更真实的模拟出核电用干式变压器在随机的地震动作用下的运动情况，让干式变压器的结构设计能满足抗震要求反应谱的强度要求，利用虚拟样机进行强度校核，可以减少实物样机的抗震试验次数，从而可以缩短研发周期、降低研发成本，让核电用干式变压器的结构设计更加合理，并且能够进行量化控制。

本发明可应用于所有型号的核电用干式变压器抗震设计计算，其具有研发效率高、研发成本低和适用范围广的特点。

附图说明

图1为本发明一实施例的分析流程图。

图2为本发明的计算模型建立框图。

图3为本发明的地震作用输入条件确立框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-图3，本核电用干式变压器的抗震性能分析方法，包括以下步骤：

步骤一、结构初步设计，根据核电站相关技术要求，对干式变压器做电磁设计和初步结构设计。

根据核电站对干式变压器的功能要求，设计核电用干式变压器。为满足核电站的抗震要求，在核电用干式变压器上设计特殊的加固装置，将整个核电用干式变压器及其加固装置的外部总体尺寸控制在抗震要求的范围内。

特殊加固装置在考虑普通的干式变压器的固定方案的基础上设计的，如支架、底座等。由于普通的干式变压器是没有支架的，只有核电用干式变压器才会装上支架，以增强其抗震能力，核电用干式变压器的底座是根据核电站对于干式变压器的固定方式而设计的，根据强度要求而定，核电用干式变压器的底座强度也是普通干式变压器底座强度的好几倍。

步骤二、计算模型确立，由初步结构设计及核电用干式变压器的安装固定方案，利用计算机通过有限元软件，合理选择建模方式及模型边界条件处理方式。

目前常用的有限元软件，如ANSYS，ABAQUS，ALGOR，AMESim等，基本都能实现此功能。

根据初步结构设计的核电用干式变压器的结构特点，如图2，利用有限元的理论知识，对核电用干式变压器的几何模型进行简化；在高级计算机的操作平台上，如windows操作系统，通过有限元软件建立有限元模型；根据核电用干式变压器的安装固定方案，建立模型边界条件，完成计算模型建立。

步骤三、电磁场分析，根据核电用干式变压器的电磁设计，确定核电用干式变压器在正常工作状态下的电磁场载荷输入条件，利用计算机通过有限元软件进行电磁力分析。

根据核电用干式变压器的电磁设计，利用有限元软件建立核电用干式变压器的铁芯和线圈的电磁场，计算铁芯和线圈之间的电磁力。

对于正常工作状态下的电磁场载荷输入条件，一般是指：核电用干式变压器的电压、电流，交流电频率和线圈结构参数等等。

步骤四、结构静态分析，利用计算机通过有限元软件，对核电用干式变压器进行地震作用前的装配预紧分析；由于核电用干式变压器的很多支撑件连接，如夹件与底座的连接，支架与夹件的连接等等，是依靠螺栓完成的，所以会存在装配预紧。在重力场下，对核电用干式变压器进行预紧静力分析。这时的预紧静力分析与普通物体的预紧静力分析相同。

步骤五、地震作用输入条件确定，根据核电站提供的楼层反应谱，利用计算机通过高级计算机编程语言，如Vb或Fortran等，拟合出人工地震波及人工地震波反应谱。

考虑到核电用干式变压器的支撑件的弹塑性质，采用时程分析法进行结构地震分析，需要确定输入地震波。有关时程分析法的相关内容见《建筑抗震设计规范中》GB50011-2001。

如图3所示，根据核电站给定的楼层反应谱

计算出对应的功率谱G(ω)；利用数值方法生成随机相位，由功率谱生成傅里叶谱a(t)。

通过楼层反应谱与功率谱之间的转换关系，可以用楼层反应谱计算功率谱；通过功率谱与傅里叶谱之间的转换关系，可以用功率谱生成傅里叶谱，关于楼层反应谱、功率谱和傅里叶谱三者间的关系在《地震工程学》第二版里有详细介绍，随机相位角生成方法也有很多种如“三角级数法、随机脉冲法、自回归法等”。《地震工程学》第二版由地震出版社出版，出版日期为2006年1月。

为了修正从核电站提供的楼层反应谱到地震波转换的误差，将拟合的人工地震波的反应谱S_a(t)与给定的楼层反应谱

进行对比，将误差控制在允许范围内，生成新的随机相位及调整地震波的幅值，得到满意的地震波，并将该满意的地震波作为地震作用输入条件。

本实施例中的允许范围为≤0.05；也就是说误差≤0.05就算满意；生成新的随机相位是采用数值方法；调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＊误差调整系数，

步骤六、计算模型强度计算，利用计算机通过有限元软件，将预紧力、电磁力作为初始条件，拟合的人工地震波作为地震荷载，计算输出核电用干式变压器的主要构件的位移、应力、应变及加速度结果。

核电用干式变压器的主要构件一般包括夹件，拉板，支架，底座，铁心，线圈，压钉等。

在地震作用时，核电用干式变压器是处于正常运行状态，因此是在装配预紧后，处在电磁力作用状态下。为了真实模拟该状态，利用计算机通过有限元软件，将电磁力作用结果作为地震作用分析的初始条件，然后将地震作用输入条件作为地震载荷，进行核电用干式变压器的强度计算。

步骤七、抗震性能评估，根据国内外核电抗震设计规范的相关要求，评定核电用干式变压器的抗震性能的可靠度。

根据国外标准ASME III及国内《核电厂抗震设计规范》等相关规定，分别制定出核电用干式变压器各部件抗震能力的评定准则，并根据该评定准则对核电用干式变压器各部件的计算模型的计算结果进行抗震性能评估。

其中，ASME为美国机械工程师学会；ASME III是指ASME颁布的《核设施部件建造规则》；《核电厂抗震设计规范》是中国地震局主编，中华人民共和国建设部批准的国家标准，代号为GB50267-97。

所谓分别制定出核电用干式变压器各部件抗震能力评定准则是指从标准中选出合适的内容，如根据GB5026-97《核电厂抗震设计规范》附录F，由F.1.1.1项，可以选出非螺栓类构件常温下铁素体钢的许用应力S_m＝1/3 S_u，其中S_u为铁素体钢材料的抗拉强度。

步骤八、薄弱环节修正，当通过步骤七判定核电用干式变压器的抗震性能的可靠度不满足要求时，应当对薄弱环节进行加固修正后，再然后重复步骤一至步骤七；当通过步骤七判定核电用干式变压器的抗震性能的可靠度满足要求时，结束分析，制造样机。

当进行抗震性能评估时，核电用干式变压器的部分构件的抗震性能不能满足要求，对核电用干式变压器的结构设计做相应修正，并重复步骤一至步骤七，直到核电用干式变压器的所有构件的抗震性能完全符合相关要求时，开始生产实物样机，并到抗震台进行抗震校验。

当进行抗震性能评估时，核电用干式变压器的所有构件的抗震性能完全符合相关要求时，开始直接生产实物样机，并到抗震台进行抗震校验。

步骤九、抗震验证试验，当核电用干式变压器在抗震验证试验中得到的实测值与核电用干式变压器在步骤六中得到的理论计算值之间的误差落在允许范围内时，产品设计投入生产。

本实施例中的允许范围≤15％，即：核电用干式变压器的计算模型的最大加速度与核电用干式变压器在抗震验证试验中得到的最大加速度的测量值之间的差的绝对值，与核电用干式变压器在抗震验证试验得到的最大加速度的测量值的商≤15％。

例如核电用干式变压器的计算模型在核电站提供的楼层反应谱作用下的夹件的最大加速度为45m/s²，而核电用于式变压器的实物样机中的夹件在抗震验证试验中得到的测量值在40～52m/s²之间时，就认为计算值可靠，可投入生产。

将实物样机搬上抗震台，进行抗震试验。试验结果的标准偏差通常是10％，这是因为不可能在任何两次试验中，准确无误地使用同样的条件。

考虑到偏差，认为能够将理论计算结果误差控制在试验结果的15％内，就已经达到相当好的仿真效果。

上述的偏差一般是指：实际产品的加工偏差，装配时的松紧偏差，材料的性能偏差等等。

当核电用干式变压器在抗震验证试验中的位移测量值及加速度测量值与核电用干式变压器在理论计算结果的误差在15％以内时，表明计算方法正确，计算结果可靠，产品设计可以大批量投入生产。

下面为考虑了电磁力作用和没考虑电磁力作用的对比表，

其中，g为重力加速度；

由此表中可以看出，在不考虑电磁力作用时，某种型号拉板的计算的应力值偏小，导致其抗震能力被放大，因此，理论计算该某种型号拉板所能承受最大地震加速度值也就偏大了，最后导致其安全性能被降低。

对于未经过模拟而直接拿实物样机进行抗震验证试验，假定第一次试验结果强度不够，需要重新设计，直到第N次抗震试验通过，最后得到合适的核电用干式变压器的时间为：

总时间＝1次电磁设计时间+1次结构设计时间+(N-1)次结构设计修整时间+N个产品生周期(包含材料准备)+N次抗震验证试验时间；

总成本＝总时间＊单位时间人员成本+N次材料成本+N次生产加工成本+N次抗震试验费用；

对于经过模拟后再拿实物样机进行抗震验证试验，最后得到合适的核电用干式变压器的时间为：

总时间＝1次电磁设计时间+1次结构设计时间+(N-1)次结构设计修整时间+N次虚拟样机仿真时间+1个产品生产周期(包含材料准备)+1次抗震验证试验时间；

总成本＝总时间＊单位时间人员成本+1次材料成本+1次产品生产成本+1次抗震试验费用。

具体来说，对于800KVA的核电用干式变压器，都经过相同次数的试验：一个是理论试验，另一个是抗震验证试验，有：1次电磁设计时间为3天，1次结构设计时间为5天，1个产品生产周期为45天，1次结构设计修整时间为5天，初次虚拟样机仿真时间为7天，修改部件过程中的每次虚拟样机仿真时间为4天，在修改部件过程中仅仅对建好的模型做局部修改就可以，每次抗震验证试验时间为7天。

如果第2次合格：那么，对于未经过模拟而直接拿实物样机进行抗震验证试验的总时间＝117天，对于经过模拟后再拿实物样机进行抗震验证试验的总时间＝76天。

由此可以看出，在达到同样合格的基础上，本发明提供的技术方案具有核电用干式变压器的研发效率高和研发成本低的优势。

Claims (2)

1.一种核电用干式变压器的抗震性能分析方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一、结构初步设计，根据核电站相关技术要求，对干式变压器做电磁设计和初步结构设计；

步骤二、计算模型确立，由初步结构设计及干式变压器的安装固定方案，利用计算机通过有限元软件，合理选择建模方式及模型边界条件处理方式；

步骤三、电磁场分析，根据干式变压器的电磁设计，确定干式变压器在正常工作状态下的电磁场载荷输入条件，利用计算机通过有限元软件进行电磁力分析；

步骤四、结构静态分析，利用计算机通过有限元软件，对干式变压器进行地震作用前的装配预紧分析；

步骤五、地震作用输入条件确定，根据核电站提供的楼层反应谱，利用计算机通过高级计算机编程语言，拟合出人工地震波及人工地震波反应谱；

步骤六、计算模型强度计算，利用计算机通过有限元软件，将预紧力、电磁力作为初始条件，拟合的人工地震波作为地震荷载，计算输出干式变压器的主要构件的位移、应力、应变及加速度结果；主要构件包括夹件、拉板、支架、底座、铁心、线圈和压钉；

步骤七、抗震性能评估，根据国内外核电抗震设计规范的相关要求，评定干式变压器的抗震性能的可靠度；

步骤八、薄弱环节修正，当通过步骤七判定干式变压器的抗震性能的可靠度不满足要求时，应当对薄弱环节进行加固修正后，再然后重复步骤一至步骤七；

当通过步骤七判定干式变压器的抗震性能的可靠度满足要求时，结束分析，制造样机；

步骤九、抗震验证试验，当干式变压器在抗震验证试验中得到的实测值与干式变压器在步骤六中得到的理论计算值之间的误差落在允许范围内时，产品设计投入生产。

2.根据权利要求1所述的核电用干式变压器的抗震性能分析方法，其特征是所述允许范围＜15％。

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