某三代核电VNA系统的动力学设计与计算

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VNA系统作为三代核电机组的排风烟囱设备应同样满足成熟性、安全性和经济性的三代核电技术要求。本文对VNA系统这一高耸结构(高度50m左右)研究完成了符合标准的力学设计与抗风抗震计算。利用复合材料力学理论对FRP管道进行组分配比和铺层设计,以达到设计规范书中的各项力学指标;根据设计规范对VNA系统进行抗风抗震计算,采用ANSYS WORKBENCH大型通用有限元分析软件进行流固耦合分析与多点响应谱分析,激励数据均采集于工程当地的实际情况,通过多物理场域模块耦合完成设计工况(自重+附件荷载+SL-1地震荷载+百年一遇极大风速工况)和两种事故工况(自重+附件荷载+龙卷风工况和自重+附件荷载+SL-2地震荷载工况)的计算;根据相关设计标准对VNA系统各部件的力学指标进行校核可以得到,VNA系统的固定支架及上部导向支架在激励作用下是主要的承载部件。本文根据要求和实际情况进行了重点设计和优化,在固定支架上新增两根拉杆来提高固定支架的承载能力,同时对固定支架两侧槽钢内槽分布一定量的肋板,通过这种类夹心结构来降低支架各向弯曲产生的应力;在烟囱横向响应中,最上部的导向支架产生了较高的应力,为了提高部件的安全系数降低其应力水平,选择在其下方易于安装处新增一个相同结构的导向支架,两个导向支架一起的支撑作用增大了其与管道面积,因而可以降低支架的应力水平;同时为了解决支反力过大对APC壳上的混凝土延伸作业施工困难这一问题,设计了新的钢结构作为连接方式以代替混凝土块状体连接,新设计的钢结构采用工字梁与空心圆杆为基本部件,各部件间采用固结与铰接并存的方式,不仅可以达到降低APC壳受力的目的,还降低了新增结构质量和应力水平。同时观察响应谱分析之前的模态分析可以得出,管道竖直段横向和扭转基频集中在4.0Hz~4.8Hz,竖向基频在12.6Hz左右,这些频率正好落在多处标高响应谱峰值区间内或靠近峰值区间,通过响应谱分析的结果也可以看出这些振型在CQC振型组合中的贡献系数最高。本文的动力学设计与有限元计算为我国三代核电机组的核岛VNA排风烟囱及一般性高耸建筑物在抗风抗震设计领域提供了有效的技术支持和工程应用参考。
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