CN108090245A - 一种核电厂储水池地震ssi分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核建筑设计技术领域，涉及一种核电厂储水池地震SSI分析方法。所述的分析方法是利用通用有限元程序内含的成熟完善的特性，形成整个待分析系统的动力特征矩阵，在SSI分析中直接调用动力特征矩阵，形成动力方程进行SSI分析。本发明的核电厂储水池地震SSI分析方法能够适用于核岛厂房内形状不规则的异型储水池。本发明的分析方法将流体‑固体相互作用准确的考虑在SSI分析过程中，使分析输出的地震楼层反应谱更贴近真实情况，且计算过程易于理解和操作，方便设计人员掌握。采用本发明的分析方法，可避免由于采用过于简化或过于保守的假定所引起的SSI分析结果的偏差。

Description

一种核电厂储水池地震SSI分析方法
技术领域
本发明属于核建筑设计技术领域，涉及一种核电厂储水池地震SSI分析方法。
背景技术
核岛厂房中存在着多个储水池，如换料水池、乏燃料水池、三代核电堆型中增加的非能动堆腔注水用水箱等。在地震作用下，储水池内的水体不但随着储水池水平运动，对储水池壁产生冲击作用，而且同时由于惯性和重力作用而发生晃荡(称为晃动作用)，这种水体与池壁之间的相互作用即为流体-固体相互作用。对于大体积的储水池，这种相互作用是非常明显的，因此储水池的动力响应应当包含地震激励下结构物本身的响应以及水体的冲击和晃动作用对结构的影响。
核岛厂房抗震分析通常采用复频响应分析方法，其中土-结构相互作用(SSI)采用空间子结构法考虑。复频响应分析方法及空间子结构法的相关原理可见(美)克拉夫(R.W.Clough)及(美)彭津(J.Penzien)所著的《结构动力学》(Dynamic of Structure，2006年11月第二版)。
核岛厂房地震SSI分析的结果(如：地震楼层响应谱)是厂房内重要设备的抗震输入，因此，在具有大体积储水池的核岛厂房的地震SSI分析中，准确的考虑储水池中流体-固体相互作用是非常重要的。在过去的核岛厂房地震SSI分析中，限于技术水平及计算机能力，只能通过简化方法(如豪斯奈尔方法，该法将流体的作用假定为多个质量元及弹簧)来模拟流体-固体相互作用，但这种简化方法仅适用于形状规则的储水容器(如矩形或圆形)，而对于构型复杂的核岛厂房的储水箱，如内置换料水箱、非能动堆腔注水水箱、非能动安全壳冷却水箱等，这种简化方法并不适用。因此，有必要提出一种适用于核岛厂房内形状不规则的异型储水池的地震SSI分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种核电厂储水池地震SSI分析方法，以能够适用于核岛厂房内形状不规则的异型储水池。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种核电厂储水池地震SSI分析方法，所述的分析方法是利用通用有限元程序内含的成熟完善的特性，形成整个待分析系统的动力特征矩阵，在SSI分析中直接调用动力特征矩阵，形成动力方程进行SSI分析。
利用上述分析方法，免去了在SSI分析中模拟流体动力特性的过程，直接调用通用有限元程序的动力特性，使流体自身特性和流体-固体相互作用模拟的更为准确。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电厂储水池地震SSI分析方法，其中所述的通用有限元程序内含的成熟完善的特性为流体单元和固体单元特性。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电厂储水池地震SSI分析方法，其中所述的通用有限元程序为ANSYS软件。
ANSYS软件是目前工程界常用的集结构、流体和电磁等分析于一体的商用有限元分析软件。ANSYS软件基于有限元单元法，将构件离散化为单元，从而进行单元分析、单元集成、设置约束、计算求解。软件主要包括三部分模块：前处理模块、分析计算模块、后处理模块。本申请主要利用其前处理模块建立模型。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电厂储水池地震SSI分析方法，其中所述的待分析系统包括构筑物与水体。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电厂储水池地震SSI分析方法，其中所述的动力特征矩阵包括质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电厂储水池地震SSI分析方法，其中所述的SSI分析采用专用软件。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种核电厂储水池地震SSI分析方法，其中所述的SSI分析采用的专用软件为ACS SASSI软件。
ACS SASSI为美国Ghiocel Predictive Technologies,INC.公司开发的在国际和国内核电领域中广泛采用的三维抗震分析软件，申请人已购买其正版使用权限。ACS SASSI软件采用空间子结构法处理土-结构相互作用问题，上部结构离散成有限单元，地基介质假定为水平无限成层、粘弹性土层下卧均匀弹性半空间，采用复频响应分析方法进行动力时程分析。
本发明的有益效果在于，本发明的核电厂储水池地震SSI分析方法能够适用于核岛厂房内形状不规则的异型储水池。本发明的分析方法将流体-固体相互作用准确的考虑在SSI分析过程中，使分析输出的地震楼层反应谱更贴近真实情况，且计算过程易于理解和操作，方便设计人员掌握。采用本发明的分析方法，可避免由于采用过于简化或过于保守的假定所引起的SSI分析结果的偏差。
附图说明
图1为示例性的本发明的核电厂储水池地震SSI分析方法的计算步骤流程图。
图2为具体实施方式中举例的CIS水箱的位置及构型。
图3为具体实施方式中举例的利用通用有限元软件ANSYS建立的非水体部分有限元模型。
图4为具体实施方式中举例的利用通用有限元软件ANSYS建立的水体部分有限元模型。
图5为具体实施方式中举例生成的二进制文件，该二进制文件存储了整个模型的总刚度、总阻尼、总质量矩阵。
具体实施方式
以下结合图1对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
示例性的本发明的核电厂储水池地震SSI分析方法的原理如下。
(1)利用通用有限元软件ANSYS中流体单元的特性，建立流体部分的动力特征矩阵。以常用的通用有限元软件ANSYS中的FLUID80和FLUID30流体单元为例，流体运动方程式如下：
其中，[S],[H],分别为水体的质量、刚度、阻尼矩阵，可通过水体压力离散插值函数[Np]推得。
(2)在通用有限元软件中将(1)中模拟出的水体的质量、刚度、阻尼矩阵[S],[H],与构筑物相应的方程结合起来，得到考虑流体-固体相互作用的整个构筑物分析系统的方程：
其中{δ},{p}分别为结构单元节点位移向量及水体单元节点压力向量；[M],[K],[C]分别为结构的质量、刚度、阻尼矩阵；[Q]为流固耦合相互作用力矩阵；{f}为外荷载向量。从方程(b)中可以看出，整个分析系统的总质量矩阵为总阻尼矩阵为总刚度矩阵为将这些矩阵信息提取并记录成文件。
(3)在SSI分析专用软件ACS SASSI中直接调用步骤(2)中形成的矩阵信息文件，进行SSI计算。
整个SSI计算的流程如图1所示，包括如下主要步骤：
1)建立系统分析的模型：在通用有限元软件ANSYS中分别建立核岛厂房非水体部分的结构有限元模型及水体部分的有限元模型，从而形成整个分析系统的有限元模型。
2)在通用有限元软件ANSYS中，调用编制好的外部程序，提取出步骤1)中分析系统的总质量矩阵、总阻尼矩阵和总刚度矩阵信息，并以二进制形式保存为文件。
3)在专用SSI分析软件ACS SASSI中调用步骤2)中形成保存的二进制文件，形成系统运动方程。
4)补充SSI分析所需的其它参数，如地基参数、地震动输入等，进行SSI分析得到考虑流体-固体相互作用的地震下的响应，进行输出。
以下以某核电厂内部结构厂房的非能动堆腔注水箱(CIS水箱)为例，对上述示例性的本发明的核电厂储水池地震SSI分析方法进行进一步的说明。
CIS水箱位于内部结构厂房内西北角，由两片斜墙、一片环墙及一片短墙构成。水箱布置在0m标高层。为满足系统水量的要求，水箱环墙厚度从底部到顶部减小两次截面尺寸，并在16.5m层局部凸出。水箱隔间与环路一的主泵隔间共用一道墙体，与环路三的蒸发器隔间共用一道墙体，其顶板标高为23.47m，用于压力容器顶盖的放置。CIS水箱的位置及构型如图2所示。
CIS水箱采用本发明的分析方法进行SSI分析具体的实施步骤如下：
1)在通用有限元软件ANSYS中建立整个内部结构厂房的有限元模型。非水体部分有限元模型及水体部分模型分别可参见图3及图4。
2)在ANSYS中调用编写好的外部宏命令，通过运行此命令装配方程(b)并生成整个厂房有限元模型(包括水体及非水体部分)的总刚度矩阵、总阻尼矩阵、总质量矩阵，并以二进制的形式存储于coo文件中，二进制文件如图5所示。
3)在ACS SASSI中，将步骤2)生成的coo文件读入并将其转化成ACS SASSI专用的计算格式并形成系统运动方程。
4)补充SSI分析所需的其它参数，如地基参数、地震动输入等，进行SSI分析得到考虑流体-固体相互作用的地震下的响应，并输出该响应。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种核电厂储水池地震SSI分析方法，其特征在于，所述的分析方法是利用通用有限元程序内含的成熟完善的特性，形成整个待分析系统的动力特征矩阵，在SSI分析中直接调用动力特征矩阵，形成动力方程进行SSI分析。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的通用有限元程序内含的成熟完善的特性为流体单元和固体单元特性。
3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的通用有限元程序为ANSYS软件。
4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的待分析系统包括构筑物与水体。
5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的动力特征矩阵包括质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。
6.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的SSI分析采用专用软件。
7.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于：所述的SSI分析采用的专用软件为ACSSASSI软件。
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