提升翻转子系统为某强辐射棒料后处理系统的关键设备，功能是将强辐射棒料从水池提升至送料热室，并将其从竖直工位翻转90°到水平工位，以实现水平送料。提升翻转机构为提升翻转子系统的核心机构，属于安全RS级、抗震Ⅰ类设备^[1]，其动静力学性能直接影响整个后处理系统的正常运行。

核电后处理系统中物项的抗震设计应满足系统整体抗震要求^[2]。根据规范，抗震Ⅰ类设备必须进行抗震检验^[3-6]，方法主要有实验法和数值模拟法^[7]。由于实施周期长，且会耗费大量的人力物力，国内主要使用实验法对大型、复杂的核电设备进行抗震鉴定^{[3, 8-9]}。数值模拟法主要有等效静力法、响应谱法和时程分析法^[10-12]。等效静力法不能描述系统固有特性和系统内部结构间的动力响应，计算结果较为保守，不适用于基频小于33 Hz的结构^{[10, 13-14]}；时程分析法采用逐步积分法对方程进行求解^[10-11]，计算量大、不确定因素多，在实际工程中应用较少^[15-17]。

笔者采用基于ANASYS Workbench的计算方法，对某强辐射棒料后处理系统中主要部件进行模态分析，在对结构合理解耦后使用响应谱法进行抗震计算，为使结果保守可靠，按核电厂要求，使用美国ASME规范对主要零部件及重要螺栓进行应力校核和优化，对提升翻转机构在地震载荷作用下的结构完整性和功能可靠性进行了鉴定。

1 研究对象及载荷 1.1 几何模型

提升翻转机构主要由卷扬机组、钢丝绳、料仓架料仓、翻转小车及上/下导轨等部件组成，几何模型如图 1所示。卷扬机组安装于标高13.5 m的基座上，为机构动力源；料仓架料仓通过转轴安装于翻转小车，最高位置标高9.5 m，强辐射棒料放置于料仓内；上/下导轨分别由多个M24螺栓倾斜45°安装于基座，作为翻转小车、料仓架料仓的运行轨道。当料仓架料仓位于导轨底部时为竖直上料工位，机械手夹持强辐射棒料并转运到料仓内；上料完毕后，翻转小车在卷扬机拉力作用下沿上轨道运行，料仓架滚轮在下轨道的导向下同步进行提升、翻转；料仓到达水平位置后与接料料仓(图中未给出)连接并密封，完成提升翻转动作。该机构具有结构简单紧凑、使用寿命长、能适应各种恶劣工作环境等优点。

如图 2所示为上导轨截面图，导轨全长13 600 mm，采用螺栓连接的方式安装于基座。连接螺栓分布于导轨两侧，两端螺栓距导轨端面500 mm，其余螺栓均匀分布。在小车上下运动时，由安装于上导轨的上、下挡块对其限位。下导轨安装螺栓均匀布置于导轨中央，因此，螺栓个数取上导轨的一半。

卷扬机组内部、卷扬机组与公共底座及轨道与基座之间均使用8.8级螺栓连接紧固。计算时使用简化模型，去除较小倒角、圆角及螺纹孔；由于不关心卷扬机减速箱轮齿受力情况，齿轮以质量相近的圆盘替代，仅保留一对啮合齿。提升翻转机构各部件外形尺寸及质量见表 1，主要材料的力学性能参数见表 2。

当料仓位于水平位置时约束最少且标高最高，由经验分析可知，须对此工位进行抗震分析。

1.2 载荷组合

根据ASME规范，核级抗震Ⅰ类设备均须考虑运行基准地震动(operating basis earthquake，OBE)和安全停堆地震动(safe shutdown earthquake，SSE)的作用^{[2, 18]}。运行基准地震动是在核电站使用寿命期间内厂址有可能遭遇的一次最为强烈的地震，要求核电站在此地震作用下能够正常运行；安全停堆地震动是结构及设备在使用寿命期其所在地区几乎不可能遇到的地震，在此地震作用下，核电设备可不运行，但必须保证设备不发生损坏，地震后仍能正常运行^[18]。

提升翻转机构抗震分析时，需考虑设备自身质量DW、运行载荷EL及阻尼比分别为2%，4%的OBE和SSE^[19]。载荷组合列于表 3。

2 抗震分析方法 2.1 响应谱法

响应谱法是一种将模态分析结果和已知谱联系起来计算结果位移、速度、加速度、力及应力的分析方法^[20-21]，分为单点响应谱法和多点响应谱法^[22]。

通过模态分析，可以得到一个n自由度系统的各阶频率ω_i及振型向量Ø_i，若在地震载荷作用下，系统j(j=x，y，z)方向的加速度响应谱为S_aj(ω_i)，则系统第i阶振型的位移响应值为^[14-15]：

$ {u_{ji}} = {{\bf{Ø}} _i}{\gamma _i}\left[ {{S_{{\rm{a}}j}}\left( {{\omega _i}} \right)} \right]/\omega _i^2, $

式中γ_i为第i阶振型的参与系数。分别将3个方向地震作用分量代入上式，计算得到系统各阶振型在x，y，z 3个方向的地震响应分量，然后采取算术平方根法计算总地震响应。

响应谱法是一种准静态分析方法，它通过动力分析计算得到结构加速度与频率之间的关系(加速度反应谱)，再以最大惯性力的方式施加于结构上，即将动态问题转化为静态问题且保留了原有的动态特性，是目前国内外采用最为广泛的抗震分析方法。

2.2 抗震分析流程设计

一般而言，地震动频率在0~33 Hz范围内。结构固有频率大于33 Hz时可以看成刚体，使用其支撑结构三方向最大加速度的1.5倍作为地震输入^{[8, 23]}，用等效静力法进行抗震分析；若结构第1阶固有频率小于或等于33 Hz，添加集中质量后，输入其所在标高三方向加速度地震谱，用响应谱法进行抗震分析。主要分析内容及步骤如图 3所示。

1) 对简化后的提升翻转机构进行自身质量和工作载荷的静力分析，然后进行有预应力的模态分析，采用子空间法提取前8阶振型。

2) 根据ASME规范对提升翻转机构进行解耦。

3) 建立各子结构有限元模型，使用等效静力法或响应谱法进行抗震计算，得到各子结构地震响应。

4) 对主要部件及重要螺栓进行应力评定和强度校核。

5) 对不满足抗震规范的零部件进行优化和迭代验算，直到满足规范要求。

3 模态分析及系统解耦 3.1 有限元模型

将提升翻转机构的三维实体模型导入到ANASYS Workbench中进行网格划分，建立有限元模型，由于篇幅限制，图 4仅给出卷扬机组有限元模型，模型共有单元470 814个，节点795 966个。

3.2 模态分析

对各子结构进行模态分析，计算固有频率。表 4给出了主要零部件前8阶频率，图 5为料仓架料仓部件的第1阶振型。

3.3 机构解耦及抗震方法选择

对于大型组合结构，采用三维整体建模的有限元模型进行数值仿真通常需要很大的存储和计算规模，超出现有的计算条件。因此，应研究组合结构各部件的动力学特性，从而建立合理的三维简化力学模型, 并以该模型为基础进行有限元数值仿真^[24]。

根据相关法规，核电设备抗震分析前可将其解耦，在分析各子结构动力学特性的基础上建立简化力学模型，并选择适当的方法分别进行抗震分析^[25]。

1) λ_m＜0.01;

2) 0.01≤λ_m≤0.1，且λ_f≤0.8或λ_f≥1.25。

λ_m为子系统与主系统质量之比，λ_f为子系统的基本频率与主结构主导频率之比。只要满足条件1)或2)，均可解耦。

分析表 1和表 4可知，翻转小车安装于上导轨，质量、频率相近，不满足解耦准则，因此将上/下导轨和翻转小车看成一个整体进行抗震分析，其基频为11.22 Hz；同理分析得到，卷扬机组、钢丝绳及料仓架料仓均满足解耦准则，三者可看成子结构单独进行抗震计算。解耦情况及抗震方法见表 5。由于上/下导轨安装于不同标高，所以采用多点响应谱法进行计算。

4 抗震计算 4.1 地震动

对抗震Ⅰ类设备施加的SSE地震动由厂区地震谱离散化得到，图 6仅给出标高13.5m、阻尼比4%的SSE地震动。阻尼比2%的OBE地震动取SSE地震动的2/3^[5]。

4.2 抗震计算

在完成有预应力的模态分析后，对提升翻转机构进行异常工况和事故工况的抗震计算，计算时应考虑电机启动、停止时的加减速对钢丝绳等零部件的冲击效应。各子部件最大应力列于表 6。

5 应力评定及优化 5.1 主要部件应力评定

根据ASME BPVC-3第1册NF分卷中相关规定，金属材料在不同使用等级下的应力限值见表 7。

使用ANASYS Workbench对提升翻转机构A，B，D 3种载荷进行分析计算，得到各主要部件应力值如表 8所示。表中δ₁为总体薄膜应力，不包括不连续和应力集中；δ₂为弯曲应力，不包括不连续和应力集中^{[1, 15]}。本模型同时承受总体薄膜应力和弯曲应力，因此使用(δ₁+δ₂)的应力类别进行评定。

比较可知，卷扬机组、料仓架料仓部件、下导轨在各工况下部件的最大应力均远小于材料允许的最大应力限值；钢丝绳选用ϕ42的钢芯钢丝绳，其最小破断拉力为1 870 MPa^[26]，安全系数大于11，其应力分布满足ASME规范的相关要求；但翻转小车在B，D工况下应力偏大，上导轨在B，D工况下应力大于应力极限，须对上/下导轨小车部件(或局部)进行优化。

5.2 上导轨安装优化

由表 8可知，翻转小车及上导轨在设计工况下满足规范要求，但在地震载荷作用下应力偏大，因此考虑增加上导轨安装螺栓数以减小地震载荷的影响。

表 9为分别使用8，12，16，20颗螺栓固定安装上导轨时各零部件最大应力；表 10为使用不同数目螺栓安装上导轨时，各部件应力相对于安装8个螺栓时的应力降幅；图 7为不同安装螺栓数各部件应力变化情况。图表显示，上导轨安装螺栓数由8个增加到12个时，各部件应力均出现大幅下降，且各部件在OBE、SSE两种地震载荷下均满足安全系数不小于1.3的要求^[27]。因此，上导轨使用12个M24螺栓均匀分布于导轨两侧(每侧6个)安装，间距约1 800 mm；下导轨使用6个M24螺栓分布于导轨内侧安装，间距约1 950 mm。

5.3 重要螺栓应力评定

卷扬机组及导轨均以螺栓连接的方式固定在底座上，假设螺栓的初始预紧力产生的摩擦力足够抵消水平地震力F的作用，使F在螺栓处无剪切效应而只产生弯矩效应。即螺栓的应力由螺栓预紧力和地震力F的弯矩共同产生^[28]。

在水平i(i=x，y)方向，部件的地震力为F_i=m·a_i，为平衡地震力的作用，单个螺栓(共n个)的预紧力为f_{i, 1}=F_i/nμ(μ摩擦系数，取0.15^[20])，则预紧力在螺栓上产生的拉应力为σ_{i, 1}=f_{i, 1}/A₀(A₀为螺栓有效面积)。

水平地震力在螺栓处产生的弯矩为T_i=F_i·L，为抵消弯矩限制部件在O点摆动，单根螺栓产生的最大拉力为f_{i, 2}=T_i/L_m，假设弯矩产生的应力均分于各螺栓，取L_m为各螺栓到摆动支点的平均距离，则弯矩在螺栓上产生的拉应力为σ_{i, 2}=f_{i, 2}/A₀。

在铅垂方向，若地震力作用下沿z轴正向的加速度小于等于g，则部件不会因起跳而产生附加应力，否则会产生拉应力σ_z。

使用各分量平方后开方的方法对螺栓3个方向应力进行合成，即

$ \sigma = \sqrt {{{\left( {{\sigma _{x, 1}} + {\sigma _{x, 2}}} \right)}^2} + {{\left( {{\sigma _{y, 1}} + {\sigma _{y, 2}}} \right)}^2} + \sigma _z^2} 。$

螺栓支撑件应满足ASME BPVC-3第1册NF分卷中对螺栓紧固件的应力要求，如表 11所示。这里仅对螺栓的地震响应进行应力评定。

在正常工况下，提升翻转机构匀速工作，在水平和竖直方向均不产生加速度惯性力(电机启动、停止的加速度小于地震响应加速度的5%，忽略其影响)。电动机、减速箱体、卷筒支架及上、下导轨在OBE、SSE地震作用下的螺栓应力及评定见表 12~16。

6 结束语

采用基于有限元的仿真方法，对提升翻转机构进行有预应力的模态分析，根据各部件固有特性进行合理解耦后，使用多点响应谱法进行抗震计算，并对上导轨安装螺栓数进行合理优化，得到以下结论：

1) 分别使用12个、6个螺栓安装上、下导轨时，经计算，其第1阶固有频率大于33 Hz，地震最大应力均小于应力限值。

2) 优化后机构各子部件均满足抗震设计要求，A，B，D 3种工况下的安全系数分别大于1.704，1.695，2.168。

3) 两种地震载荷作用下，重要连接螺栓满足设计要求在B，D工况下的安全系数均大于4。